DE2615534B2

DE2615534B2 - Fuer die nachrichtenuebertragung geeignete lichtleitfaser mit gradientenprofil aus mehrkomponentenglaesern mit angepasstem ausdehnungskoeffizienten zwischen glaskern und glasmantel sowie verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2615534B2
Application number: DE19762615534
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. Dr 6501 Finthen Gliemeroth
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1976-04-09
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1978-02-02
Also published as: DE2615534A1; FR2347695B1; JPS52135322A; GB1573218A; DE2615534C3; NL7703600A; FR2347695A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser mit Gradientenprofil des Brechungsindex, die einen dreiteiligen Aufbau besitzt: Ein äußerer Mantel besteht aus einem silicatischen Mehrkomponentenglas; ein innerer Mantel und der Kern der Faser sind SiO₂-freL

Die Lichtleitung innerhalb der Faser erfolgt zum allergrößten Teil im Kern, der durch geeigneten Aufbau ein Gradientenprofil des Brechungsindex besitzt. Der innere, SiO₂-freie Mantel trägt nur geringfügig zur Lichtleitung bei; der äußere silicatische Mantel hat keinen Anteil an der Lichtleitung.

Die Herstellung von für die Nachrichtenübertragung geeigneten Lichtleitfasern mit Gradientenprofil des Brechungsindex wird von zwei Verfahren beherrscht, die sich zwar wesentlich unterscheiden, jedoch beide im ersten Stadium des Verfahrens das seit langem bekannte

Verfahren der Erzeugung eines Oxidniederschlages aus der Gasphase (CVD-Prozeß der Halbleitertechnik) nutzen (US-PS 23 26 059).

Entsprechend den ersten Patentanmeldungen (DT-OS 2122 895 und DT-OS 23 00 061) auf dem Gebiet der Glasfaserherstellung für die Nachrichtentechnik wird dieser Prozeß des CVD-Verfahrens zur Erzeugung eines weißen, rußähnlichen Niederschlages genutzt, der sich nach den Erfahrungen der Halbleiterindustrie sehr rein darstellen läßt.

Spätere Anmeldungen (US-PS 37 78 132, DT-OS 25 46 162) gehen auf die noch ältere Möglichkeit zurück, direkt ein Glas aus der Gasphase nach dem CVD-Verfahren zu erzeugen (Fest, W. M., Steele, S. R., Ready, D.W. Physics of Thin Films, V5 [1969], Academic Press, N. Y., London, Seite 290).

Die beiden genannten Verfahrenswege bedienen sich entweder der Außenbeschichtung (DT-OS 23 13 249, DT-OS 23 00 013) eines sehr sauberen Kieselglasstabes (SiO2-Glas) mit niedriger brechendem Material, nämlich entsprechend dotiertem Kieselglas, oder aber der Innenbeschichtung eines KieseJglasrohres (DT-OS 2122 895, DT-OS 23 00 061) mit höher brechendem Material, nämlich wiederum entsprechend dotiertem Kieselglas. Nach beiden Verfahren kann dann ähnlich fortgeschritten werden; der ummantelte Stab ebenso wie das innenbeschichtete Rohr lassen sich direkt zur Faser ausziehen. Die Innenbeschichtung von Glasrohren ist bekannt (DT-PS 14 96 542), und die Herstellung von Glasfasern mit Lichtleiteffekten ist sowohl aus der DTPS 7 45 142 als auch aus der DT-OS 20 25 921 und der US-PS 31 57 726 bekannt.

Eine Verbesserung erfuhr die Technik der Innenbeschichtung von Rohren durch die Einführung des MCVD-Verfahrens durch F r e η c h (10. Internationaler Congress on Glass No. 6 Optical Properties and Optical Waveguides, 6—46) sowie durch MacChesney et al. (Ibidem 6-40) sowie US-PS 37 78 132. (Weitere Literatur: Appl. Phys. Lett. 23 [1973] 338 und Proc. IEE. 62 [1974] 1280.) insbesondere die Einführung eines Zwischenstadiums, in dem nämlich beim Innenbeschichtungsverfahren das Rohr zu einem Stab kollabiert wird und nicht sofort zur Faser ausgezogen werden muß, ist im MCVD-Verfahren beinhaltet Der Vorteil liegt dabei vor allem in der Tatsache, den extrem sauberen Zustand des Rohrinnem, weiche später den Faserkern bilden soll, hermetisch zu versiegeln, so daß die weiteren Verfahrensschritte in normaler Industrieatmosphäre erfolgen können. Schon dadurch unterscheiden sich diese letztgenannten Prozeßschritte des MCVD-Verfahrens eindeutig von denen der DT-OS 21 22 895 und DT-OS 23 00 061.

Das Ausziehen eines innenbeschichteten Glasrohres zu einer Faser mit Kern und Mantel ist schon seit langem bekannt (DT-PS 7 45 142) und wurc"e für Lichtleitfasern nochmals angemeldet (DT-OS 20 25 921). Alle diese Verfahren betreffen die Innenbeschichtung eines Rohres mit Kernmaterialien, die aus S1O2 allein oder aus dotiertem S1O2 bestehen, wobei dieses Material durch Niederschlag aus der Gasphase in einem Rohr an der Innenwand abgeschieden wird. Die Verwendung von S1O2 oder dotiertem S1O2 bietet sich aus der Lehre der US-PS 23 26 059 und anderen Vorläufein (Hyde und Hood) an und ist relativ problemlos.

Andererseits ist die Verwendung von S1O2 allein, von dotiertem SiO₂ oder überhaupt die Anwesenheit von S1O2 in der lichtleitenden Schicht von Nachteil und läuft eigentlich den grundsätzlichen Gedanken der Lichtleitfaser zuwider. Nur die einfache Übernahme dieser Komponente aus vorbekannten CVD-Techniken hat die Verwendung dieser Komponente in gewissem Umfang gerechtfertigt. Für die Nachrichtentechnik sollte überhaupt kein S1O2 im lichtleitenden Teil einer Faser zur Verwendung kommen.

Auf diese Weise ließen sich nämlich höhere Aperturen erreichen, welche wiederum bessere mechanische Eigenschaften der Faser im Gefolge haben; die Faser läßt sich stärker auf Biegung oder Druck belasten, ohne die Lichtleitqualität (Verluste der zu übertragenden Information) einzubüßen. Andererseits bietet eine höhere Apertur den großen Vorteil besserer und leichterer optischer Handhabung; der öffnungswinkel ist größer, das Einkoppeln der Information ist einfach und billiger. Ein weiterer großer Vorteil ist die erhöhte Intensitätsaufnahme aus inkohärenten Lichtquellen.

Ein besonderer Nachteil bei der Verwendung von Kieselglas und dotiertem Kieselglas als lichtleitendem Material in der Faser ergibt sich aus den großen Unterschieden im linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die schon durch geringe Dotierung zwischen dem Kieselglasrnantel mit niedrigerem Brechungsindex und dem dotierten Kieselglaskern entstehen. Das liegt insbesondere an der extrem niedrigen, linearen thermischen Ausdehnung des reinen Kieselglases. Jede Zugabe einer zusätzlichen Komponente läßt den Ausdehnungskoeffizienten sprunghaft ansteigen.

Gleiche Zusammenhäge gelten auch für den Fall, in dem eine Dotierung des S1O2 z. B. mit B2OJ im gleitenden Mantel erfolgt und reines SiO2-Glas (Kieselglas) im Kernmaterial verwendet wird.

Es gibt auch bis heute keine Lichtleitfaser für die Nachrichtentechnik mit Anpassung der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei einer Polarisationsspannungsprüfung, bzw. unter geeigneten Mikroskopen sind diese großen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizientunterschiede als Spannungsunterschiede in den Preformen und in den Fasern deutlich zu erkennen.

Der Vorteil einer Anpassung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten würde in folgenden Tatsachen liegen:

Einmal sind möglichst geringe Spannungsunterschiede (diese resultieren aus den Ausdehnungsunterschieden) erwünscht bei der Herstellung der Innenbeschichtung, der Preform und der daraus zu ziehenden Faser. Bei etwas ungenauer Führung des Innenbeschichtungs- und Kollabierprozesses zur Preform reißen die frisch hergestellten Schichten der Innenbeschichtung auf; es ergeben sich Risse, die auch durch nachträgliche Temperaturbehandlung nicht vollständig ausgeheilt werden können. Daraus resultieren Störstellen in der späteren Faser, was zu erhöhten Verlusten (in dB/km) führt. Damit wird die Faser für ihren Anwendungszweck ungeeignet.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß bei einer Anpassung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Rohr und Innenbeschichtung ein späteres Zerteilen der Preform möglich ist. Bisher war es aufgrund der Ausdehnungsunterschiede und der in der Preform herrschenden hohen Spannungen nicht möglich, Preformen zu zersägen. Bei einem Zersägen zersprang der Innenbeschichtungsteil, welcher unter Zugspannung stand.

Ein weiterer Vorteil ist in der Tatsache zu sehen, daß bei Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten und

damit verbundenem Abbau der Spannungen in der Preform in Zukunft Preformen miteinander verschmolzen werden können. Das hat sehr große Bedeutung beim Übergang vom chargenweisen Herstellverfahren zu eirem kontinuierlichen Fertigungsverfahren zur Erzeugung großer Mengen an Nachrichtenfasern. Durch das Verschmelzen von geeigneten Preformen lassen sich beliebig lange Preformstücke erzeugen, so daß der Faserziehprozeß und die daran anschließende Ummantelung zum Kabel kontinuierlich durchgeführt werden können.

Ein weiterer Vorteil des Ausgleichs von Spannungen innerhalb der Preform durch Anpassung der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten liegt in der Tatsache, daß Verluste, die aus Spannungen in der Faser resultieren, abgebaut werden können. Diese Verluste bilden bisher einen konstanten Anteil der theoretischen Mindestverluste in solchen Lichtleitfasern. Durch Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten läßt sich die theoretische Mindestverlustgrenze weiter absenken. Dadurch werden die Fasern besonders geeignet für die Langstreckennachrichtenübertragung.

Eine Abstimmung der Ausdehnungskoeffizienten auf den extrem niedrigen Wert des Kieselglases (SiO₂-Glas) mit Werten zwischen 5 und 8 · 10~⁷/°C ist nicht möglich, da die Zugabe weiterer Komponenten in den meisten Fällen eine Ausdehnungserhöhung zur Folge hat. Es gibt viele mögliche Komponenten, die zum Brechwertgradientenprofil in der Nachrichtenfaser beitragen können. Daher sollten Materialien mit zu jo niedrigen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter 10 · 10-⁷/^cC für Nachrichtenfasern nicht verwendet werden.

Ziel der Erfindung ist eine Nachrichtenfaser, deren linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient in allen Faserelementen (Mantel- und Kernmaterialien) über 15 ■ 10-⁷/°C liegt, und in welcher die Ausdehnungskoeffizienten in allen Faserelementen (Mantel- und Kernelemente) so aufeinander abgestimmt sind, daß möglichst geringe Spannungsunterschiede zwischen diesen Elementen entstehen. Das gilt sowohl für die Spannungen zwischen Rohr und Innenbeschichtung, als auch für die Spannungen innerhalb einer Preform oder einer Faser.

Ein weiteres Ziel ist eine Lichtleitfaser mit einem Brechwertgradientenprofil im Kernbereich, die einen möglichst hohen Brechungsindex in ihrem Kernmaterial besitzt, der insbesondere eindeutig höher ist als der Brechungsindex von Kieselglas mit 1,458.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht mit einer Lichtleitfaser gemäß dem Hauptanspruch.

Die Lichtleitfaser besitzt ein Gradientenprofil des Brechungsindex und wird durch innenbeschichtung eines in seiner Zusammensetzung genau definierten Silicatglasrohres nach dem Niederschlagsverfahren aus « der Gasphase hergestellt, wobei die Innenbeschichtung nach einem Kollabieren zur Preform und nach einem Ausziehen der Preform zur Faser zum lichtleitenden Faserkern wird. Das ursprüngliche silicalische Rohrmatcrial trägt nicht /ur Lichtleitung bei.

Das Silicatglasrohr hat folgende Zusammensetzung:

SiO.
Y AI,
I ΠΟ
PjO-.
H.Ό ι
AU),

5l-92Gew.-%

1-40Gew.-%
0-5Gew.-%
0-26Gcw.-%
0-28Gew.-% ZrO₂

2 Alkalienoxide

+ Erdalkalioxide

BaO

CaO

MgO

PbO

ZnO

La₂O₃

Na₂O

K₂O

Li₂O

0-5Gew.-%

2-40Gew.-%

0-7Gew.-%

0-1QGev.'.-%

0-9Gew.-%

0-6 Gew.-%

0-8Gew.-%

0-6Gew.-%

O-12Gew.-°/o

0-8 Gew.-%

0-4 Gew.-%

Dieses Silicatglasrohr besitzt einen linearen thermi sehen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 15 unc 120 · 10-V⁰C.

Die Lichtleitfaser ist im lichtleitenden Bereich SiO₂-frei und besteht aus zwei Teilen, dem innerer Mantel und dem Kern. Der innere, SiO₂-freie Mantel ha folgende Zusammensetzung:

GeO₂ 50-100Gew.-%

P₂O₅ 0-45Gew.-%

B₂O₃ 0-20Gew.-%

Al₂O₃ 0-12Gew.-%.

Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient de; inneren, SiO₂-freien Mantels entspricht dem linearer Ausdehnungskoeffizient des Kieselglasrohres im äußeren Mantel mit einer Toleranz von ±5 ■ 10-⁷/°C.

Der Kern, ebenfalls SiO2-frei, besteht aus einer Mischung von GeO2 und mindestens einer weiterer Komponente, wobei der Gehall an Germaniumoxid bei mindestens 50 Gew.-% liegt. Die Zusammensetzung dieses Kerns ist wie folgt:

GeO₂	50 -99 Gew.-⁰/
Sb₂O₃	0-30Gew.-%
Al₂O₃	0-15Gew.-%
B₂O₃	0-15Gew.-%
As₂O₃	0-30Gew.-%
BaO	0-10Gew.-%
PbO	O-15Gew.-O/o
Alkalioxid	0-15Gew.-%
Erdalkalioxid	0-15Gew.-%
La₂O₃	0—15Gew.-°/o
SnO₂	O-2OGew.-°/o
TiO₂	0-20Gew.-%
WO₃	0-5 Gew.-o/o
ZnO	0-10Gew.-%
ZrO₂	O-5Gew.-°/o.

t.5 In den Glaszusammensetzungen für das Kieselglasrohr, den inneren Mantel und den Faserkern können weitere Elemente, wie z. B. Ba, Rb, Cs, Sn, As, Sb, Bi, Lanthanide enthalten sein, wobei als Anionen außer Sauerstoff auch Halogene Verwendung finden können.

Dieser SiO2-freie Kern ist in seiner Zusammensetzung so aufgebaut, daß aufgrund von Konzentrationsänderungen innerhalb des Kerns auch Brechungsindexänderungen stetig erfolgen. Dabei ändern sich die Konzentrationen derart, daß nach dem Kollabieren ein parabolisches Brechungsindexprofil erhalten wird, dessen Exponent der Parabelgleichung zwischen 1,7 und 2,1 liegt.

Die Lichtleitfaser hat in dem Bereich, der aus der Innenbeschichtung des Rohres resultiert, einen Brechungsindex > 1,55, der sich im Kernbereich von außen nach innen erhöht.

Auch der Kern ist im Innern mit seinem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten so auf den

linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des äußeren und des inneren Mantels abgestimmt, daß trotz des Brechwertgradienten keine größere Abweichung als ±12 ■ 10-⁷/°C zu beobachten ist.

Der äußere, silicatische Mantel kann aus einem aus dem Schmelzfluß gezogenen, silicatischen Mehrkomponentenglas bestehen, dessen linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient mit 15 · 10 VC deutlich über dem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kieselglas liegt.

Der innere, SiOi-freie Mantel und der SiO₂-freie Kern können durch Innenbeschichtung dieses Glasrohres nach dem Niederschlagsverfahren aus der Gasphase hergestellt werden, wobei die Innenbeschichtung nach einem Kollabieren zur Preform und nach einem Ausziehen der Preform zur Faser zum lichtleitenden Faserelement wird.

Die fertige Lichtleitfaser zeichnet sich durch niedrige Übertragungsverluste und hohe Übertragungskapazität sowie aufgrund des großen Brechungsindexunterschiedes zwischen Mantel- und Kernmaterial durch eine hohe Apertur, die über 0,25 liegt, aus.

Der innere, SiO₂-freie Mantel besteht aus Germaniumoxid oder aus Germaniumoxid und einer weiteren Komponente. Der innere, SiO₂-freie Mantel hat einen niedrigeren Brechungsindex als das SiO₂-freie Kernmaterial, in welchem der Brechungsindex-Gradient erzeugt wird. Sowohl der innere, SiO₂-freie Mantel als auch der SiO₂-freie Kern liegen in ihrem Brechungsindex jedoch eindeutig über 1,55.

Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient im äußeren, silicatischen Mantel liegt zwischen 15 und 120 · 10-V⁰C und der innere SiO₂-freie Mantel ist an diesen Wert mit einer Toleranz von ±5 ■ 10~⁷/^oC angepaßt. Der SiO₂-freie Kern hat keine größere Abweichung als ±12 · 10-⁷/°C gegenüber dem äußeren und dem inneren Mantel.

An verschiedenen Beispielen soll die Erfindung detaillierter beschrieben werden:

Ein Silicatglasrohr wird als silicatisches Mehrkomponentenglas aus einem Schmelzfluß nach bekannten Verfahren des Danner-Prozesses oder nach den Vertikal-Ziehverfahren gezogen. Es hat eine Zusammensetzung gemäß Beispiel Nr. 1 der Tabelle 2. Dieses Rohr hat nach dem Abkühlen einen linearen thermisehen Ausdehnungskoeffizienten von 77 · 10-⁷/°C. (Alle in dieser Beschreibung genannten linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beziehen sich auf einen Meßbereich zwischen 20⁰C und 300⁰C.) Dieses Glasrohr ist auf einer handelsüblichen Gleichlaufdrehbank zwischen den Backen befestigt und rotiert mit einer Drehzahl von 4 Umdrehungen pro Sekunde. Ein Gasbrenner fährt mit einer Geschwindigkeit von 6 cm/min auf dem Support dieser Gleichlaufdrehbank unter dem rotierenden Rohr hin und her. Dadurch wird si im Rohr eine Temperatur von 86O⁰C erzeugt. Das rotierende Rohr wird von einer Gasmischung aus Sauerstoff, Germaniunichlorid und evtl. einer oder mehreren weiteren Komponenten durchströmt. Diese Gasmischung wird dadurch erzeugt, daß ein Sauerstoff- «ι strom über genaue Rcgelsysteme durch leicht verdampfende Flüssigkeiten, ζ .B. Germaniumchlorid und andere chloridische Verbindungen geblasen wird. In F i g. 1 sind eine solche Apparatur zur Erzeugung des Gasgemisches und das innen zu beschichtende Mehrkomponenten-Sili- (,<·, catglasrohr dargestellt. Darin sind die Gasdurchflußrcglcr mit M bezeichnet, der durchzublasendc Sauerstoff mit O2, der Brenner mit Cund das Silicatglasrohr mit T.

Die Komponente A ist Germaniumchlorid, die Komponenten B, X, Ysind weitere flüssige, erfindungsgemäße Komponenten; die Komponente Z ist eine gasförmige erfindungsgemäße Komponente, deren Dampfdruck über 1 atm liegt (A, B. X und Y haben Dampfdrücke unter 1 atm bei Raumtemperatur). P ist ein Programmgeber, der für die Veränderung der Durchflußregler Λ/ im Zuge des Innenbeschichtungsverfahrens sorgt, so daß ein Brechzahlgradient in der Innenbeschichtung erzeugt werden kann. Zahlreiche Komponenten, deren Verwendung möglich ist, nennt die Tabelle 1.

Die Gase werden dadurch erzeugt, daß ein Sauerstoffstrom über die genauen Regelsysteme M durch die leicht verdampfenden Flüssigkeiten der Komponenten X, Y, A und B geblasen wird. Dieser Sauerstoffstrom reißt Moleküle der genannten Komponenten mit. Die Gasmischung wird im Rohr im Bereich des Brenners C zum Oxid zersetzt und als Glasfilm an der Silicatglasrohr-Innenwand aufgeschmolzen. Die frei werdenden Anionen verlassen in Pfeilrichtung das Rohr. Der Brenner C fährt am Rohr in Pfeilrichtung entlang und kehrt seine Wanderrichtung beim Erreichen des Rohrendes jeweils um. Bei einmaligem Überqueren des Rohres wird eine Glasschicht von etwa 0,1 bis 3 μΐη erzeugt, wenn die Temperatur im Rohrinnern genügend hoch ist und der Viskosität des Silicatglasrohres angepaßt ist, und wenn die Fahrgeschwindigkeit des Brenners die oben angeführten Werte einhält.

Durch individuelle Veränderung der Sauerstoffströme durch die Flüssigkeitsbehälter läßt sich von Schicht zu Schicht die Glaszusammensetzung des inneren Mantels und des Kerns abändern, so daß man beliebige Konzentrationsprofile der einzelnen Komponenten im endgültigen Schichtpaket der Innenbeschichtung erhält.

Werden Komponenten verwendet, die zu ihrer Verdampfung erhöhte Temperaturen benötigen, so läßt sich das Rohrsystem der Anlage mit einem Heizmantel umgeben.

Als Auswahl aus den Komponenten in Tabelle 2 können Phosphor, Bor und Aluminium zur Erniedrigung des Brechungsindex von reinem Germaniumoxid mit 1,65 bis zur erfindungsgemäßen Untergrenze von 1,55 verwendet werden. Zur Erhöhung des Brechungsindex des reinen Germaniumoxids von 1,65 auf höhere Brechungsindexwerte können Titan, Tantal, Zirkon, Antimon, Lanthan und andere Komponenten beigemischt werden. Durch geeignete Mischung der Komponenten lassen sich einerseits die verschiedensten Brechungsindex-Profile im inneren Mantel und im Kern nach dem Innenbeschichtungsverfahren durch Niederschlag aus der Gasphase erzeugen. Andererseits lassen sich durch geeignete Mischung der Komponenten die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten so einstellen, daß, wenn man den Ausdehnungskoeffizienten des Mehrkomponenlensilicatglases des äußeren Mantels als Maßstab nimmt, der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des inneren Mantels mit einer Toleranz von ±5 ■ 10-⁷/°C und der des Kerns mit einer Toleranz von ±12 · 10 ⁷/°C abgestimmt sind.

Fig. 2 zeigt einige mögliche Konzentrationsprofile für die Innenbeschichtung nach dem Niederschlagsvcrfahrcn aus der Gasphase. In dieser F i g. 2 ist mit MCSG das Mehrkomponcnlcnsilicatglas bezeichnet. Die.verschiedenen Oxidkoniponenten sind in Fig. 2 wie folgt bezeichnet: P=P₂O₅; Zi = Al₂Oi; S=B₂Oj; G=GcO₂; 7'= TiO₂; S=Sb₂O;; L=La₂O₃. In dieser Fig. 2 sind senkrecht die relativen Konzentrationen und ist horizontal die Dicke der Innenbeschichtung, die später

nach dem Kollabieren zur Preform den inneren Kern und den inneren Mantel ergibt, dargestellt.

In Fig. 3 sind die entsprechenden, aus Fig. 2 resultierenden Brechungsindexgradienten dargestellt. Diese Brechungsindexgradienten-Profüe in Fig. 3 werden vor dem Kollabieren zur Preform und Ausziehen zur Faser erzeugt. Während des Kollabierens verändert sich das Brechungsindexprofil so, daß aus einem linearen Verlauf ein parabolischer Brechungsindex-Gradient mit einem Exponenten der Parabelgleichung zwischen 1,7 und 2,1 wird. In Fig. 3 ist senkrecht der Brechungsindex im Schichtpaket vor dem Kollabieren und horizontal die Dicke des durch Innenbeschichtung nach dem Niederschlagsverfahren aus der Gasphase erzeugten Schichtpaketes dargestellt. Die Buchstaben haben die gleiche Bedeutung wie in F i g. 2

In der Gaserzeugungsanlage gemäß Fig. 1 kann die Konzentration der Germaniumkomponente entweder konstant gehalten werden und es können brechwerterniedrigende bzw. brechwerterhöhende Komponenten additiv zugespeist werden, oder die Konzentration der Germaniumkomponente wird entsprechend erniedrigt. Mit den Durchflußmessern M, die sich elektrisch regeln lassen, sind beide Möglichkeiten gegeben (Fig. 1). Bei Zugabe von P2O5 zum Germaniumoxid werden ebenso wie bei Verwendung anderer Komponenten, die einen niedrigeren Brechungsindex als das reine Germaniumoxid ergeben, brauchbare Brechungsindexgradienten erhalten, wenn man die Konzentration des P₂O₅ von außen nach innen absenkt und die Konzentration des jo Germaniums von außen nach innen ansteigen läßt. Dieses inverse Verhalten kann bei allen Komponenten angewandt werden, deren Brechungsindex im einzelnen Oxid niedriger ist als der des Germaniumoxids.

Durch Mischung von zwei und mehr Komponenten ist die Anpassung des Brechungsindex und des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglich, wenn man die Durchflußgeschwindigkeit des Sauerstoffs durch die Gaserzeugungsgefäße, den Dampfdruck der verschiedenen Flüssigkeiten bei den jeweils einzustellenden Temperaturen in den Verdampfungsgefäßen und die Reaktionstemperatur im Rohr aufeinander abstimmt. Durch Umrechnung der durchfließenden Menge an Sauerstoff läßt sich nach Aufstellung von Eichkurven die zur Erzeugung geeigneter Schichtzusammensetzung benötigte molare Zusammensetzung regeln. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der erhaltenden Schichtzusammensetzung kann experimentell durch Mischung metallorganischer Flüssigkeiten als Träger der jeweiligen Oxide, Hydrolyse der Mischung und μ anschließendes Aufschmelzen ermittelt werden. Die Messung erfolgt an Stäben von 5 cm Länge und 1 mm Durchmesser im Dilatometer.

Der zweite, innere. SiO2-freie Mantel kann, wie bereits erwähnt, aus reinem Germaniumoxid allein bestehen oder aus einer Mischung mehrerer Komponenten, von denen eine das Germaniumoxid ist und von denen eine andere den Brechungsindex erniedrigt. Dazu können bevorzugt verwendet werden die Komponenten P₂O₅, B₂O₁ oder AI₂Oi. _b0

Bei Verwendung eines Rohres gemäß Beispiel Nr 1 mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 77 · 10-V⁰C wird als Material für den inneren, SiO₂-freien Mantel reines Germaniumoxid verwendet. Die oben beschriebenen Ausdchnungsmes- _b5 sungcn an reinem Germaniumoxid ergeben einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 78 · 10-V⁰C.

Nachdem ein genügend dickes Schichtpaket für den zweiten, inneren, SiO2-freien Mantel durch 25maliges Überfahren des Rohres mit dem Gasbrenner mit einer Geschwindigkeit von 6 cm/min erreicht wurde, wird die Konzentration des Germaniums linear abgesenkt von 100 Gew.-% innerhalb von 40 Schichten auf 93 Gew.-%, während gleichzeitig die Konzentration von Antimonoxid linear in der gleichen Zahl von Schichten von 0 auf 7 Gew.-% erhöht wird. Die Veränderung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann durch Zugabe von B2O) so weit in Grenzen gehalten werden, daß einerseits eine lineare Brechungsindexsteigerung im Schichtpaket erreicht wird, und andererseits der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient nicht über die Toleranz von ± 6 ■ 10-⁷/°C sich verändert.

Gemäß einem anderen Beispiel geht man vom Mehrkomponentensilicatglasrohr des Beispiels Nr. 5 aus und beschichtet dieses Rohr durch Niederschlag aus der Dampfphase innen zuerst mit einem SiO2-freien Mantel, bestehend aus 52 Gew.-% Germaniumoxid, 13 Gew.-% B2O3, 7 Gew.-% Al₂O₃, 25 Gew.-% P₂O₅ und 2 Gew.-% ZnO. Dieser innere, SiO2-freie Mantel wird in 12 Schichten aufgebracht. Anschließend wird das Schichtpaket für das Kernmaterial nach dem Niederschlagsverfahren aus der Gasphase aufgebracht. Oieses Kernmaterial besteht aus den gleichen Komponenten wie der innere SKVfreie Mantel, jedoch wird diesen Komponenten zusätzlich eine Mischung von Sb₂Oj, La₂Oj und TiO₂ zugespeist. Die Konzentration dieser zweiten Mischung an Sb₂O₃, La₂Oj und TiO₂ beträgt insgesamt anfangs O Gew.-% und steigert sich bis zur Schicht, welche später die Kernachse bildet, auf 8 Gew.-%. Das Verhältnis von Sb₂Oj/La₂O₃/TiO₂ ist dabei 2:1:1. Unter dem Spannungsprüfer zeigt die nach der Innenbeschichtung aus diesem Materia! hergestellte Preform nur geringfügige Spannungen. Sie läßt sich ohne Schwierigkeiten zersägen und mit anderen, ebenso zusammengesetzten Preformen zu einer endlosen Preform für die kontinuierliche Herstellung von Lichtleitfasern zusammenschmelzen.

Zahlreiche weitere Silicatglasrohre lassen sich mit einem inneren, SiOj-freien Mantel bei einer Abweichung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nicht mehr als ±5 · 10-⁷/°C innen beschichten, woran sich dann die Beschichtung mit dem Kernglasmaterial anschließt, wobei der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Kernglasmaterials nicht mehr als ±12 · IO-⁷/°C von dem des inneren Mantels und des äußeren Mantels abweicht.

Besonders gute Lichtleitfasern erhält man, wenn der Brechwertgradient im Kern so eingestellt wird, daß er einer Parabelgleichung folgt, deren Exponent zwischen 1,7 und 2,1 liegt. Dabei ist es besonders günstig, wenn der Brechungsindex aller nach dem Niederschlagsverfahren in der Gasphase hergestellten Materialien über 1,55, also deutlich über dem des Kieselglases mit 1,458 liegt. Besonders bevorzugt werden im Kernmaterial neben dem Germaniumoxid die Komponenten Antimon, Phosphor und/oder Zink in einer Oxidkonzentration zwischen 1 und 50 Gew.-%.

Vorzugsweise liegt das Silicatglasrohr für den äußeren Mantel in seiner Zusammensetzung innerhalb der folgenden zwei Summenformeln:

Einmal soll die Summe aus AI₂Oi, ZrO₂, La₂Oj, TiO₂, B₂O₃ und P₂O₅ zwischen I und 40 Gew.-% liegen;
zum anderen soll die Summe der Alkalioxide und der Erdalkalioxide zwischen 2 und 40 Gew.-% liegen.

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Tabelle !,Teil 1

Formel Schmelztemperatur in ⁰C

Dampfdruck von 760 mm bei °C

Oxid und sein
Brechungsindex

Formel

Schmelztemperatur in ⁰C

Dampfdruck von 760 mm bei ⁰C

Oxid und sein Brechungsindex

A1B3H12	-64,5	45,9	AI2O3	1,65	PbJ	402,0	872,0	PbO	2,61
BCh	-107,0	12,7	Β₂θ3	1,64	PCh	-111,8	74,2	P2O5	1,509
AIBn AICh SbBn SbCb Sbj3 As	97,5 192,4 96,6 73,4 167,0 656,0 814,0	256,3 180,3 275,0 219,0 401,0 1425,0 610,0	AhO3 AhO3 Sb₂O3 Sb₂O3 Sb₂O3 Sb₂O3 As₂Os	1,65 1,65 2,35 2,35 2,35 2,35 1,755	POCh LiBr LiCI Mg MgCh MnCh HgBr₂ HgCh	2,0 547,0 614,0 651,0 712,0 650,0 237,0 277,0	105,1 1310,0 1382,0 1107,0 1418,0 1190,0 319,0 304,0	P₂O₅ Li₂O Li₂O MgO MgO MnO₂ HgO HgO	1,509 1,644 1,644 1,736 1,736 2,16 2,55 2,55
AsCh	-18,0	130,4	As₂O3	1,755	HgJ₂	259,0	354,0	HgO	2,55
AsF3	-5,9	56,3	AS2O3	1,755	MoFe	17,0	36,0	MOO3	1,68
AsFs	-79,8	-52,8	AS2O3	1,755	PBn	-40,0	175,3	P₂O₅	1,509
AS2O3	312,8	457,2	AS2O3	1,755	KBr	730,0	1383,0	K₂O	1,608
Ba	850,0	1638,0	BaO	1,98	KCI	790,0	1407,0	K2O	1,608
BeB2H8	123,0	90,0	BeO	1,73	KF	880,0	1502,0	K₂O	1,608
			B2O3	1,64	K]	723,0	1324,0	K2O	1,608
Tabelle 1,	Teil 2

Formel

Schmelztemperatur in "C

Dampfdruck von 760 mm bei ⁰C

Oxid und sein
Brechungsindex

Formel

Schmelztemperatur in °C

Dampfdruck von 760 mm bei °C

Oxid und sein Brechungsindex

BeCi₂	405,0	487,0	BeO	1,73	Rb	38,5	679,0	Rb₂O	1,642
BeJ₂	488,0	487,0	BeO	1.73	RbBr	682,0	1352,0	Rb₂O	1,642
BiBn	218,0	461,0	B12O3	1,91	RbCl	715,0	1381,0	Rb₂O	1,642
BiCh	230,0	441,0	BhO3	1,91	LaCh	860,0	1072,7	La₂Os	1,87
Cd	320,9	765,0	CdO	2,49	Naßr	755,0	1392,0	Na₂O	1.595
CdCh	568,0	967,0	CdO	2,49	NaCl	800,0	1465,0	Na2O	1,595
CaBr₂	730,0	812,0	CaO	1,838	SnBr4	31,0	204,7	SnO₂	2,045
CdJ₂	385,0	796,0	CdO	2,49	SnCk	-30,2	113,0	SnO₂	2,045
Cs	28,5	690,0	Cs₂O	1,64	TeCU	224,0	392,0	TeO₂	2,09
CsBr	636,0	1300,0	Cs₂O	1,64	TeFe	-37,8	-38,6	TeO₂	2,09
CsCl	646,0	1300,0	Cs₂O	1,64	TlBr	460,0	819,0	ThO	2,13
GaCh	77,0	200,0	Ga₂O	1,90	TlCl	430.0	807,0	TI₂O	2,13
GeH4	-165,0	-88,9	GeO₂	1,650	TiCU	-30.0	136,0	TiO₂	2,759
GeBr4	26,1	189,0	GeO₂	1,650	WFe	-0,5	17,3	WO3	2,52
PbBr2	373,0	914,0	PbO	2,61	ZnCl₂	283,0	732,0	ZnO	2,029
PbCh	501,0	954,0	PbO	2,61	ZrCk	437,0		ZrO₂	2,20
PbF₂	855,0	1293,0	PbO	2,61	ZrBr4	450,0		ZrO₂	2,20

Tabelle 2

Beispiel Nr. 1 2

IO

S1O2 P₂Os

AI2O3 ZrO₂ BaO CaO MgO PbO ZnO La₂Oi Na₂O K2O L12O

oc ■ IOVC

69,8

9,2 5,1

1,0 3,8

4,9 6,2

77

79,7

10,3 3,1

32

91,1

4,6
0,4

1,6

0,5
1,5

0,3
16

69,5 75,5

1,4
4,2

7,8

10,8
5,3

70

9,0 5,0

3,6

0,4 5,3 1,2

50

55,5 0,5 15,7 5,0 3,0 6,0

1,5 4,0

1,5 2,1 3,0 2,2

56

51,5 4,0 1,0

19,1 1.5 0,9 9,5 4,5 1,0 7,0

61

64,1 25,0

0,5

0,3 5,3 4,8

43

57,4 4,0

5,2 8,0

104

Hierzu 3 BIuIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtleitfaser für die Nachrichtenübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem äußeren Mantel besteht, der aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist:

SiO₂ 51 -92 Gew.-% Σ Al₂O₃ + ZrO₂ + La₂O₃ +TiO₂+ B₂O₃+P₂O₅ 1 -40 Gew.-% P₂O₅ 0-5 Gew.-% B₂O₃ 0—26Gew.-% Al₂O₃ 0-28 Gew.-% ZrO₂ 0—5 Gew.-% 2 Alkalienoxide + Erdalkalioxide 2-4OGew.-°/o BaO 0-7 Gew.-% CaO 0-10Gew.-% MgO 0—9 Gew.-% PbO 0-6 Gew.-% ZnO 0—8 Gew.-% La₂O₃ 0-6Gew.-% Na₂O 0-12Gew.-% K₂O 0-8 Gew.-% Li₂O 0-4 Gew.-%

und einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der zwischen 15 und 120 · 10-⁷/°C Hegt,

einem zweiten, inneren, SiO₂-freien Mantel besteht, welcher aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist:

GeO₂

P₂O₅

B₂O₃

Al₂O₃

50-100Gew.-% 0—45 Gew.-% 0-20 Gew.-% 0-12Gew.-%,

und im linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dem äußeren Mantel mit einer Toleranz von ±5 · 10-⁷/°C entspricht,

und einem inneren, SiO2-freien Kern besteht, der aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist:

GeO₂ 50-99 Gew.-%

Sb₂O₃ 0-30 Gew.-%

AI₂O₃ 0-15Gew.-%

B₂O₃ 0-15Gew.-%

As₂O₃ 0-30 Gew.-%

BaO 0-10Gew.-%

PbO O-15Gew.-°/o

Alkalioxid 0—15 Gew.-%

Erdalkalioxid 0-15 Gew.-%

La₂O₃ 0-15Gew.-%

SnO₂
TiO₂
WO₃
ZnO
ZrO₂

0-20Gew.-%
0—20 Gew.-%
0-5 Gew.-%
0-10Gevv.-%
0-5 Gew.-%.

2. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Mantel und der Kern nach dem Niederschlagsverfahren aus der Gasphase durch Innenbeschichtung des rohrförmigen äußeren Kerns hergestellt werden, das innenbeschichtete Rohr zur Preform kollabiert und die Preform zur Faser ausgezogen wird.

3. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen Brechungsindex-Gradienten besitzt, der einer Parabelgleichung mit einem Exponenten zwischen 1,7 und 2,1 entspricht.

4. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex /ν in der gesamten, nach dem Niederschlagsverfahren hergestellten Innenbeschichtung über 1,55 liegt und sich von außen nach innen erhöht.

5. Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung des Brechungsindex-Gradienten dem Germanium zugesetzte Komponente Antimon, Phosphor oder Zink ist und in einer Oxid-Konzentration zwischen 1 und 50 Gew.-% enthalten ist

6. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Bereich aus mindestens zwei Zonen besteht, von denen die äußere keinen Brechwertgradienten besitzt und aus einer Mischung von Germaniumoxid und einer oder mehreren Komponenten gemäß Anspruch 5 besteht, während die innere Zone einen Brechwertgradienten besitzt und aus einer Mischung von 50 bis 99 Gew.-% Germaniumoxid sowie 1 bis 50 Gew.-% mindestens einer weiteren Komponente gemäß Anspruch 5 besteht.

7. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Kern im Inneren mit seinem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten so auf den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des äußeren und inneren Mantels abgestimmt ist, daß die Abweichung nicht mehr als ±12 · 10-⁷/°C beträgt.

8. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch so gekennzeichnet, daß der äußere Mantel aus einem aus dem Schmelzfluß gezogenen silicaten Mehrkomponentenglas besteht, dessen linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient über 15 · 10-⁷/°C liegt.