DE2632689C2

DE2632689C2 - Optischer Wellenleiter

Info

Publication number: DE2632689C2
Application number: DE2632689A
Authority: DE
Inventors: Ishwar Dayal Horseheads N.Y. Aggarwal; Eric Nils Bath N.Y. Randall
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1975-09-08
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1986-05-22
Also published as: FR2323161A1; JPS57170836A; FR2323161B1; JPS6124348B2; HK56581A; DE2660697C2; CA1268971A; US4339173A; AT346103B; DE2632689A1; ATA645876A; JPS5233546A; GB1521826A

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein optischer Wellenleiter entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 24 34 717 bekannt Bei diesem optischen Wellenleiter wird für den Mantel eine Schicht aus Oxiden wie Germanium oder dergleichen verwendet, wobei die Mantelschicht bewußt verlustbringende Eigenschaften haben soll. Der Brechungsindex der Mantelschicht wird hierbei als nicht größer gegenüber dem einer inneren Auskleidung gewählt, wobei der Brechungsindex der inneren Auskleidung nicht geringer als der des Kerns sein soll.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen optischen Wellenleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß er eine möglichst geringe Dämpfung aufweist und die Wahl der Materialien für Kern und Mantel derart getroffen wird, daß seine Herstellung, insbesondere während des Ziehvorgangs, erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem optischen Wellenleiter wird eine Anpassung zwischen der Wärmedehnung des Kerns und der des Mantels erreicht, was zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit niedrigem Dämpfungswert führt und während der Herstellung selbst den Ziehvorgang wesentlich erleichtert. Darüber hinaus wird ein optischer Wellenleiter mit geringer Dämpfung erhalten.

Die Viskosität bzw. Wärmedehnungseigenschaften zwischen Mantel und Kern wird durch die Zugabe von B2O3 zum Mantelglas angeglichen.

Unter einem Silikatglas hoher Reinheit wird ein solches Glas verstanden, das nicht mehr als 10 Millionenteile kationische Verunreinigungen in Form von Übergangsmetallen enthält.
Im folgenden wird ein optischer Wellenleiter anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt
F i g. 1 perspektivisch vergrößert einen optischen Wellenleiter,
F i g. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 von F i g. 1,

Fig.3 ein Dreiphasendiagramm des Brechungsindex als Funktion der P2O5—GeO₂-SiO₂-Zusammensetzung,

Fig.4 ein Schaubild der linearen Wärmeaustauschkoeffizienten bei 25°C—200°C in Abhängigkeit vom Oxidgehalt in der Kieselsäure der beiden Systeme B₂Oa-SiO₂ und GeO₂-SiO₂,

Fig.5 die Erweichungstemperatur für η — 10⁷·⁶ als Funktion des Anteils in Gew.-% von GeO₂, P2O5 oder B₂O₃ für Gläser der Systeme GeO₂-SiO₂, P₂O₅-SiO₂ und B₂O₃-SiO₂, und

F i g. 6 den Brechungsindex als Funktion des GeO₂-Anteils in Gew.-% für Gläser des Systems GeO₂-SiO₂.
Der beschriebene optische Wellenleiter ist gleichermaßen auf Einfachmoden- und Multimoden-Wellenleiter sowie auf Wellenleiter mit konstantem oder Gradientenindex der Brechung anwendbar.

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte optische Wellenleiter weist einen Mantel 12 aus sehr reinem Glas und einen Kern 14 aus sehr reinem Glas auf, das mit GeO₂ und P2O5 so stark dotiert ist, daß sein Brechungsindex höher wird als der des Mantels. In manchen Wellenleitern besteht der Mantel nicht aus einer besonderen Schicht mit unterschiedlichen Merkmalen gegenüber dem Kern und den benachbarten Schichten (US-PS 36 47 406 und 37 85 718), so daß der Brechungsindex von einem hohen Wert im Kernbereich auf einen niedrigen Wert an der Faseroberfläche allmählich abnimmt. Anstatt eines Mantels mit konstantem Brechungsindex kann dieser nach der Oberfläche zu allmählich abnehmen. Der Mantel kann auch einen Bereich enthalten, dessen Brechungsindex höher ist als der der benacnbarten Schicht mit kleinerem Radius, aber niedrigerem Brechungsindex als der Kern. Der Ausdruck Mantel wird daher hier in allgemeinerer Form als der Bereich der Faser mit unbedeutender Lichtfortpflanzung definiert und verwendet.

Das Verhältnis von P₂O₅ zu GeO₂ wird so gewählt, daß das Kernglas eine mit der des Mantelglases verträgliche Erweichungstemperatur bekommt. Wird zunächst ein hohler Kern erzeugt, der dann beim Ausziehen zusammenfällt, so liegt die Erweichungstemperatur des Kernglases bis zu etwa 50°C niedriger als die des Mantelglases, damit das Kernglas leicht fließt und beim Ausziehen den Hohlraum ausfüllt.

Die F i g. 3 erläutert einen weiteren Vorteil der teilweisen Ersetzung von GeO₂ durch P2O₅ im Kern. Es wurde festgestellt, daß dies zu einem höheren Brechungsindex führen kann, obwohl der Brechungsindex von P₂O₅

niedriger als der von GeO₂ ist. Überdies ändert diese Ersetzung den Wärmeausdehnungskoeffizienten nur sehr wenig. Wie die F i g. 3 zeigt, erfahren die Gläser mit weniger als 70 Gew.-% SiO₂ eine merkliche Änderung des Brechungsindex, wenn ein Teil des GeO₂ durch P₂O₅ ersetzt wird. Ferner ist für jeden im Bereich von O bis 70%

liegenden SiOrGehalt der Brechungsindex am größten, wenn die P₂O₅-Menge etwa 40 bis 60% des gesamten Dotiergehalts (P₂O₅ + GeO₂) beträgt

Eine teilweise Ersetzung kann selbst bei gleichem Brechungsindex vorteilhaft sein, weil P₂Os billiger als GeO₂ ist Beispielsweise ist ein Glas aus 65,4% SiO₂, 7,4% GeO₂ und 36,2% P₂O₅ mit dem Brechungsindex 1,5 wesentlich billiger als ein Glas aus 56,4% SiO₂ und 43,6% GeO₂, dessen Brechungsindex ebenfalls 1,5 beträgt

Die Tabelle I vergleicht verschiedene Glaseigenschaften des Systems GeO₂-SiO₂-P₂O₅ reit denen des Systems GeO₂-SiO₂ bei jeweils gleichem SiO₂-Gehalt und erläutert damit einige Wirkungen der teilweisen Ersetzung von GeO₂ durch P₂Os in Germaniumoxidsilikatgläsern.

Ein Vergleich der Werte η mit n' für jede der in der Tabelle spezifizierten Glasarten zeigt die jeweilige Verbesserung der Brechungsindizes durch die Dotierung von P₂O₅ (Werte n) im Vergleich zu GeO₂ Wellenleitern, deren Kern nicht mit P₂O₅ dotiert ist (Werte n').

Ίλιτ Auswertung des Einflusses der P₂O₅ für GeO₂ Teilersetzung auf den Brechungsindex wurden die Brechungsindizes π 'der entsprechenden Gläser des GeO₂-SiO₂-Systems mit der gleichen Menge an SiO₂ ebenfalls in der Tabelle aufgeführt, wobei die Veränderung des Brechungsindex infolge von P₂O₅ Ersetzung mit Δη bezeichnet ist Die Messungen wurden an der Natrium-D-Linie durchgeführt

Tabelle 1

Glas Zusammensetzung in Gew.-%

GeO₂ SiO; P₂O₅

Eigenschaften des P₂O₅-GeO₂- SiO₂-Glases
Brechungs- Brechungs- Δη Erweichungs- Kühltempeindex π index η' temperatur ⁰C ratur°C

10

15

20

AA	89,2	O	10,8	1,620	1,608	0,012	660	—
AB	82,7	O	17,3	1,628	1,608	0,020	690
AC	78,6	O	21,4	1,632	1,608	0,024	715
AD	93,2	6,8	0	1,594	—	—	925	556
AE	82,3	17,7	0	1,563	—	—	930	571
AF	79,4	20,6	0	1,558	—	—	1040	632
AG	58,7	25,7	15,6	1,554	1,546	0,008	817	618
AH	60,1	26,8	13,1	1,552	1,544	0,008	822	613
Al	61,8	29,6	8,6	1,546	1,537	0,009	875	603
AJ	29,4	33,7	36,9	1,546	1,531	0,015	890	759
AK	35,5	34,1	30,4	1,542	1,531	0,011	863	721
AL	48,0	34,6	17,4	1,538	1,530	0,008	830	652
AM	41,0	36,0	23,0	1,541	1,529	0,012	843	678
AN	17,3	40,7	42,0	1,533	1,521	0,012	900	776
AO	23,6	43,2	33,2	1,533	1,518	0,015	—	762
AP	30,4	45,4	24,2	1,528	1,515	0,013	878	725
AQ	36,6	45,5	17,9	1,524	1,515	0,009	895	685
AR	43,1	46,3	10,5	1,520	1,513	0,007	996	639
AS	13,7	46,6	39,7	1,520	1,513	0,007	900	709
AT	12,6	51,7	35,7	1,510	1,505	0,005	897	704
AU	7,6	52,8	39,6	1,506	1,505	0,001	890	649
AV	18,6	53,2	28,2	1,508	1,504	0,004	914	731
AW	25,9	54,6	19,5	1,508	1,502	0,006	951	704
AX	7,4	56,4	36,2	1,500	1,500	0,000	897
AY	O	62,9	37,1	1,488	1,491	-0,003	932	691
AZ	O	64,0	36,0	1,488	1,490	-0,002	932	_
BA	23,0	65,4	11,6	1,490	1,489	0,001	1131	710
BB	O	66,4	33,6	1,484	1,487	-0,003	968	611
BC	22,9	66,7	9,4	1,488	1,485	0,005	1158	'31
BD	15,0	66,7	183	1,490	1,487	0,003	1055	708
BE	7,7	67,7	24,6	1,490	1,485	0,005	996	690
BF	13,2	81,6	5,2	1,471	1,471	0,000	—
BG	7,2	82,9	9,9	1,470	1,470	0,000	1270	853
BH	11,3	84,8	3,9	1,475	1,470	0,005	1402
BI	5,1	91,4	3,5	1,464	1,464	0,000	1268	937
BJ	O	90,6	9,4	1,464	—	_	1330	888
BK	O	94,0	6,0	1,460	—	—	1403	938
BL	O	100,0	0	1,458	—	_	1585	1050
BM	O	0	100,0	1,507	—	—
BN	100,0	0	0	1,608			867	526

Die Zusammensetzungen der Tabelle 1 wurden in zwei verschiedenen Weisen hergestellt. Die Gläser AA bis
BE, BM und DN wurden nach gewöhnlichen Schmelzverfahren durch Erschmelzen der Ansätze in 500-ccm-Plalintiegeln während 6 bis 10 Stunden im Elektro-Ofen bei 1650°C, Anlassen während 3 Stunden im Tiegel und
Kühlen mit Ofengeschwindigkeit auf Zimmertemperatur hergestellt. Aus dem Tiegel wurden Glaskerne herausgebohrt und Proben für die Viskositäts- und Dehnungsmessungen bereitet.

25

30

35

45

50

55

60

65

Die über 80% SiO₂ enthaltenden Gläser BF-BL wurden durch Flammhydrolyse aus Phosphortrichlorid, Germaniumtetrachlorid und Siliziumtetrachlorid hergestellt. Die Rohlinge der niedergeschlagenen Glaspartikel wurden konsolidiert und Proben herausgeschnitten, geschliffen und poliert.

Wie ersichtlich, ist Δη für alle Germaniumoxid enthaltenden Gläser positiv. Da der Brechungsindex von s P₂O₅-GIaS niedriger als der von GeO₂-GIaS ist, deutet ein positiver Wert Δη darauf hin, daß die Steigerung nicht allein auf der idealen Mischung der beiden Stoffe beruht. Es wird vermutet, daß die Steigerung auf einer Änderung der Koordinationszahl einiger Ge-Atome von 4 zu 6 beruht. Phosphorpentoxid besteht in der Form von P40io-Molekülen, welche durch schwache van der Wals Kräfte miteinander verbunden sind. Das P4O10-M0-lekül besteht aus vier gleichen Tetraedern mit den Phosphoratomen im Mittelpunkt. Sie sind so miteinander verbunden, daß jeder Tetraeder ein Sauerstoffatom ohne Brückenbildungen enthält, wodurch möglicherweise die Koordinationszahl der Germaniumatome verändert und damit der Brechungsindex erhöht wird. Der Brechungsindex von reinem SiO₂-GIaS, GeO₂-GIaS und P₂Os-GIaS ist in dieser Reihenfolge 1,458, 1,608 und 1,507. Binäre Gläser der Tabelle I ohne SiO₂, wie z. B. die Gläser AA bis AC haben einen erheblich höheren Brechungsindex als ein P₂O₅-GIaS oder ein GeO₂-GIaS, was als Stütze der obigen Theorie angesehen werden kann. Der Wert Δη dieser Gläser steigt dabei mit zunehmenden P₂O5-Gehalt.

Wie die Gläser BE bis BI zeigen, steigt Δη mit zunehmendem SiO₂-Gehalt Dies mag auf der geringeren Anzahl der für den Wechsel der Koordinationszahl zur Verfugung stehenden Germaniumatome beruhen. Obwohl aber die Änderung von Δη für diese viel SiO₂ enthaltenden Gläser kleiner ist, wird sie in GeO2 enthaltenden Gläsern nicht negativ. Da der Brechungsindex von P₂Os-SiO₂-Gläsem, z. B. den Gläsern AY, AZ und BB niedriger als der entsprechender GeO₂-SiO₂-Gläser ist, folgt, daß der Zusatz von P₂O₅ zu GeO₂-SiO₂-GIäsern den Brechungsindex selbst bei geringem GeO₂-Gehalt steigert

Die Messungen der Wärmedehnung wurden mit einem Differentialdilatometer bei Erhitzungsgeschwindigkeiten von 600°C/Std. durchgeführt Der lineare Ausdehnungskoeffizient wurde für den Bereich von 25—300⁰C errechnet Für jedes Dreikomponentenglas der Tabelle I wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen und mit dem entsprechenden GeO₂-SiO₂-GIaS mit gleichem Kieselsäuregehalt verglichen. In jedem Vergleichsfall war die Änderung des Dehnungskoeffizienten kleiner als ±5 χ 10"⁷, das ist geringer als der experimentelle Fehler bei diesen Messungen. Die Ersetzung von P₂O₅ für GeO₂ hat also keine nennenswerte Veränderung des Ausdehnungskoeffizienten zur Folge.
Die Tabelle I verzeichnet auch die Erweichungstemperatur, das ist die einer Glasviskosität von 10⁷·⁶ Poise entsprechende Temperatur. Die teilweise Ersetzung von GeO₂ durch P₂O₅ verursacht also eine Erweichungstemperatur, die niedriger als für die entsprechenden GeO₂-SiO₂-Gläser ist. Ebenfalls angegeben ist die Kühltemperatur (annealing point), das ist die einer Glasviskosität von 10¹³ entsprechende Temperatur. Sie steigt mit zunehmendem P₂O₅-Gehalt, also umgekehrt wie im Falle der Erweichungstemperatur. Möglicherweise erhall das Glas bei den niedrigen Temperaturen im Kühlbereich infolge der Änderung der Koordinationszahl einiger Ge-Atome von 4 auf 6 eine starre Struktur. Bei den höheren Temperaturen im Erweichungsbereich werden diese Bindungen gelöst und verursachen damit eine niedrigere Viskosität Die Erweichungstemperatur ist von Bedeutung, weil die Fasern bei einer ihr entsprechenden Viskosität gezogen werden. Der Ziehvorgang wird leichter, wenn die Erweichungstemperaturen von Kern und Mantel gut aufeinander abgestimmt sind, bzw. einander entsprechen, wobei vorzugsweise das Kernglas eine etwa 1 —4mal niedrigere Viskosität bei der Ziehtemperatur hat als das Mantelglas. Infolge der erläuterten Glaseigenschaften des GeO₂-SiO₂-P₂O5-Systems können aus solchen Gläsern Wellenleiter leichter hergestellt werden und haben eine höhere numerische Apertur als bekannte Wellenleiter.

Der Kern enthält ein sehr reines optisches Glas mit einer zur Einstellung der gewünschten numerischen Apertur (NA) über den Brechungsindex erzeugenden Dotierung von GeO₂ und P₂O₅, deren relative Anteile so gewählt werden, daß die Erweichungstemperaturen von Kern und Mantel vereinbar sind. Dabei wurde gefunden, daß zur Vermeidung übermäßiger Lichtdämpfung das Kernglas des erfindungsgemäßen Wellenleiters eine 10 Millionteile Obergangsmetalle ausmachende Verunreinigungshöhe nicht überschreiten soll. Das Mantelmaterial besteht aus Silikatglas mit einem die Wärmedehnung mit der des Kerns vereinbar gestaltenden B2O3-Menge. Die Wärmedehnung des Kerns kann der des Mantels gleich sein, übersteigt sie aber vorzugsweise nur bis zu ca.

5 χ 10-V⁰C, um im Mantel eine faserverstärkende Kompressionskraft zu erzeugen. Sie kann aber die Manteldehnung auch noch um 15 χ 10-⁷/°C übersteigen.

Zur Auslegung der erfindungsgemäßen Wellenleiterfaser wird zunächst die erforderliche numerische Apertur der Faser bestimmt Bei bekanntem Mantelmaterial ist auch dessen Brechungsindex n₂ bekannt Es besteht der Mantel z. B. aus SiO₂ dotiert mit B2O3, so wird ni mit 1,458 (dem Brechungsindex von Kieselsäure).

Unter Anwendung der bekannten Verhältnisgleichung

NA = ijnS-ni¹ (3)

kann der Brechungsindex n\ des Kerns errechnet werden. Die gesamte Dotiermenge GeO₂-I-P₂Os wird aus der F i g. 3 ermittelt Ist z. B. /7, = 1,48, so enthält das Kernglas etwa 74% SiO₂ und 26% GeO₂ + P₂O₅.

Da bei gleichem Kieselsäuregehalt ein GeO₂-SiO₂-GIaS im wesentlichen die gleiche Dehnung wie ein GeO₂-SiO₂-P₂O₅-GIaS hat kann an Hand der F i g. 4 die zur Anpassung der Manteldehnung an die des Kerns erforderliche B₂U3-Menge bestimmt werden. Hat z. B. ein etwa 30% Dotiermittel (GeO₂-I-P₂O₅) enthaltendes Kernglas einen Dehnungskoeffizient von etwa 25 χ 10-⁷°C, so entspricht dies einem Mantelglas aus 21 ^u/o B₂O₁ und 79% SiO₂. Da der Dehnungskoeffizient des Kerns bis zu 5 höher als der des Mantels sein kann, so kann dieser 16—21% B₂O₃ enthalten, was einem Dehnungsbereich von 20—25 χ 10-⁷/°C entspricht

Die Erweichungstemperatur des Mantelglases kann von der Kennlinie 60 der Fig.5 abgelesen werden. Infolge der hohen Erweichungstemperaturen von Germaniumoxid-Silikatgläsern (Kennlinie 62) ist ein solches

Kernglas bei den Faserziehtemperaturen härter als das Mantelglas. Die Kennlinie 64 zeigt demgegenüber die wesentlich niedrigeren Erweichungstemperaturen von P2O5—SiO₂-Gläsern. Hierfür konnte keine Wechselwirkung von P2O5 und GeO2 festgestellt werden. Da ferner die Kennlinie 62 linear verläuft, kann die Erweichungstemperatur T,_e des Dreikomponentenglases χ P2O5—y GeO₂—ζ SiO₂: aus

Tv-Ti-YS (4)

berechnet werden, wobei Tj die aus der Kennlinie 64 der F i g. 5 bestimmte Erweichungstemperatur des binären Glases AfP₂Os · (y+z) SiO₂ und S die für die prozentualen Zusätze von GeO₂ eintretende Abnahme der Erweichungstemperatur des binären Glases GeO₂-SiO₂, ermittelt nach der Kennlinie 62 als 4,52, bezeichnet. Wie oben erwähnt, ist die Dotiermittelmenge {x+y) die zur Einstellung des Brechungsindex n_t erforderliche Menge. So können versuchsweise verschiedene Werte χ angenommen werden, bis die gewünschte Erweichungstemperatur erreicht wird. Noch einfacher ist die unmittelbare Ablesung der Temperatur T,_e aus einem dreidimensionalen Schaubild der Erweichungstemperatur.

Während der Brechungsindex bei über 70% SiO₂ verhältnismäßig konstant bleibt, ist er für P₂Os- und GeO₂-Anteile bei weniger als 70% SiO₂ nicht linear, Fig. 3, so daß bei Auswahl eines Kerns aus dem letztgenannten Bereich zur Ermittlung optimaler Werte für Brechungsindex, Dehnung und Erweichungstemperatur von Kern und Mantel Versuche durchgeführt werden müssen.

Infolge der hohen erforderlichen Reinheit des Kernglases wird der auszuziehende Körper zweckmäßig durch Flammhydrolyse hergestellt, entsprechend US-PS 37 11 262,37 37 292,37 37 293,38 26 560. Infolge der Flüchtigkeit von GeO₂ und P₂O₅ sollten die in der DE-PS 23 64 803.5 erläuterten Maßregeln beim Niederschlag der feinen Glaspartikel (soot) und der Konsolidation beachtet werden. Eine Glasschicht aus GeO₂ und P₂Os soll in der Weise erzeugt werden, daß zunächst durch Niederschlag von Oxidpartikeln eine poröse Vorform gebildet, und diese dann zu einem festen, unporösen Körper konsolidiert wird. Die Temperatur der die Flamme und der die Vorform umgebenden Atmosphäre soll so niedrig sein, daß das Glas beim Niederschlag aus der Flamme zunächst in feinteiliger Partikelform (soot) bleibt, also noch nicht konsolidiert ist Ferner soll die Konsolidationstemperatur etwa 1600⁰C nicht übersteigen und in einem Bereich zwischen der Mindestkonsolidationstemperalur des jeweiligen Glases und etwa 200⁰C darüber gehalten werden.

Der Träger wird entfernt, und die verbleibende hohle Vorform bis nahe an die Erweichungstemperatur und eine zum Ausziehen geeignete Viskosität erhitzt, dann ausgezogen, so daß der Hohlraum zusammenfällt und eine feste Faser entsteht, bis der gewünschte Querschnitt erreicht ist.

Meist sollen die Fasern bei Wellenlängen von 450—1350 nm verwendet werden. Die Fasern können erfindungsgemäß mit Dämpfungswerten von weniger als 100 dB/km bei 800—900 nm hergestellt werden, sind also zur Verwendung als Lichtleiter in Nachrichtensystemen geeignet.

Die Auslegung eines erfindungsgemäßen Wellenleiters und Vorteile gegenüber bekannten GeO₂-SiO₂-LeI-tern seien am folgenden Beispiel erläutert

Je nach der verwendr ten Lichtquelle und der Art der Biegungen der herzustellenden Faser wird eine geeignete numerische Apertur ausgewählt, z. B. 0,24. Als Mantel soll ein Borsilikat mit dem Brechungsindex 1,458 dienen. Aus der Gleichung (3) wird der Brechungsindex n\ des Kerns mit 1,477 errechnet. Die Nachteile einer aus Germaniumoxidsilikat herzustellenden Faser werden aus folgendem deutlich. Aus der F i g. 6 folgt daß das Kernglas des GeO₂-SiO₂-Glases 23% GeO₂ enthalten muß, damit der Brechungsindex 1,477 wird. Nach F i g. 4 ist der Dehnungskoeffizient eines solchen Glases etwa 2Ox 10-^r/°C. Wegen der Dehnungsdifferenz sollte der Mantel dann nicht aus reinem SiO₂ bestehen, weil der Körper bei der Konsolidation zu !eicht reißt vielmehr ein Borsilikatglas mit in etwa entsprechender Dehnung gewählt werden. Nach Fig.4 hat ein Mantelglas aus 12% B₂O₃ und 88% SiO₂ die Dehnung 17 χ 10-⁷/°C. Da die Kerndehnung um 3 χ 10-⁷/°C größer als die Manteldehnung ist erfährt der Mantel eine Kompressionskraft und die Faser wird verstärkt. Nach F i g. 5 ist für diese Kombination die Erweichungstemperatur von Kern und Mantel 1485° bzw. 1310°C. Die Differenz von 175°C bedeutet Schwierigkeiten beim Ausziehen, z. B. kann der Hohlraum nicht geschlossen werden. Hierzu sollte der Kern eine tiefere Erweichungstemperatur als der Mantel haben, so daß bei der Ziehtemperatur die Kernviskosität etwa ! —4 niedriger als die Mantelviskosität ist

Eine bekannte Maßnahme zur Senkung der Erweichungstemperatur des Kerns besteht in einem B₂O3-Zusatz zum Kernglas, der nicht den Brechungsindex aber die Wärmedehnung erhöht Zum Ausgleich muß dem Mantel mehr B2O3 zugesetzt werden, wodurch wiederum die Schwierigkeit der unterschiedlichen Viskosität entsteht Erforderlich ist also ein Zusatz, welcher den Brechungsindex erhöhen und die Viskosität senken kann, ohne zu einer Erhöhung des Wärmedehnungskoeffizienten zu führen. Diese Schwierigkeit wird durch die teilweise Ersetzung von GeO₂ durch P2O5 behoben; weiche die Erweichungstemperatur des Kerns erniedrigt ohne den Brechungsindex zu verringern. Bei 0—30% Dotierung ist die durch GeO₂ und P₂O₅ bewirkte Änderung des Brechungsindex im wesentlichen linear und für beide etwa gleich. Eine teilweise Ersetzung von GeO₂ durch PjO₅ läßt bei gleichem SiO₂-Gehalt den Brechungsindex daher im wesentlichen unbeeinflußt ein Glas aus 23% GeO₂ + P₂O₅,79% SiO₂ hat daher im wesentlichen den gleichen Brechungsindex und die gleiche Erweichungstemperatur wie ein Glas aus 23% GeO₂, 77% SiO₂. Ein versuchsweises Vorgehen kann erforderlich sein, wenn nach F i g. 5 und Gleichung (4) ein Dreikomponentenkernglas mit annehmbarer Erweichungstemperatur ausgewählt wird; beispielsweise wird zunächst ein Glas der Zusammensetzung 5% P₂O₅, 18% GeO₂, 77% SiO₂ angenommen. Nach Kennlinie 64 der F i g. 5 ist die Erweichungstemperatur eines Glases aus 5% P₂O₅,95% SiO₂ 1430°C. Die nach Gleichung (4) errechnete Erweichungstemperatur des angenommenen Glases ist 1348,64° C, denn bei 18% GeO₂ ist yS = 18x4,52. Die Differenz zum Mantel ist 38° C, das angenommene Glas also noch nicht geeignet. Als nächstes wird daher ein Glas mit mehr P₂O₅, z. B. 10% P₂O₅,13% GeO₂, 77% SiO₂ angenommen. Nach Gleichung (4) und F ig. 5 (64) ist seine Erweichungstemperatur 1262°C, also 48°C niedriger als der Mantel,

und geeignet, weil dann der Hohlraum beim Ausziehen zusammenfällt.

Da Kern und Mantel für optische Wellenleiter aus sehr reinem Glas bestehen müssen, wird ein Kern mit weniger als 10 Millionteilen kationischer Verunreinigungen durch Flammhydrolyse hergestellt, nachdem die erforderlichen Durchführungsbedingungen in bekannter Weise ermittelt wurden. Infolge der Flüchtigkeit von GeC>2 und P2O5 wird eine kleinere als die theoretische errechnete Menge niedergeschlagen. Die Durchsätze der Trägergase durch die flüssigen Bestandteile des Ansatzes müssen daher entsprechend empirisch ermittelt werden. Der weiteren Erläuterung dienen die folgenden Beispiele.

Beispiel 1

Ein Rohling mit Kern und Mantel wurde ähnlich dem Verfahren nach der US-PS 37 37 292 hergestellt.
Dämpfe von GeCl₄ und SiCl₄ wurden bei 32°C in einen mit trockenen Sauerstoff als Trägergas mit 0,4 I/Min. bzw. 2 l/Min, gespeisten Flammhydrolysebrenner geleitet Ebenfalls in die Flamme geleitet wurden PCI₃-Dämpfe in mit 0,5 l/Min, fließendem trockenem Stickstoff als Träger. Naturgas und Sauerstoff wurden in die Flamme mit 8 bzw. 8,5 l/Min, geleitet. Die feinen Glaspartikel (soot) wurden auf einem Borsilikatglasträgerstab mit dem Durchmesser 0,635 cm als Kern niedergeschlagen, bis ein Durchmesser von 3,81 cm erreicht war, die Gaszufuhr durch das GeCl₄, PCI3 unterbrochen, und zusammen mit den weiter fließenden SiCU-Dämpfen BCl₃ in den Brenner geleitet, und die B₂O₃-SiO₂-Glaspartikel (soot) als Mantel bis zu einer Dicke von etwa 10 cm niedergeschlagen, der Rohling abgekühlt, und der Trägerstab entfernt (herausgezogen). Der Rohling wurde dann bei

1350⁰C in Helium gesintert bzw. konsolidiert. Er hatte dann einen Durchmesser von 2,54 cm und eine Länge von ca. 11 cm. Dieser wurde auf 1600⁰C erhitzt und zur Wellenleiterfaser ausgezogen, z.B. auf einen äußeren Durchmesser von 125 μπι und eine Manteldicke von 50μπι, NA 0,155, Verluste 9,6 dB/km bei 820 nm; die Zusammensetzung des Kerns war 5% P₂O₅,6% GeO₂,89% SiO₂, die des Mantels 5% B2O3,95% SiO₂.

B e i s ρ i e 1 2

Nach Beispiel 1 wurden zwei Partikel (soot)-Schichten auf einen 0,63 cm dicken Trägerstab aufgebracht, unter Verwendung von POCl₃ bei 35°C, GeCl₄ bei 32°C, SiCl₄ bei 32°C, BCl₃ bei 25⁰C. Für die erste Schicht wurden POCI3, GeCl₄ und SiCl₄ mit Durchsätzen von jeweils 3,1, 0,3 und 1 l/Min, durchperlt und die Dämpfe in die

Flamme geleitet. Nach Erreichen einer Schichtdicke von 3,8 cm wurde der Gasfluß durch POCl₃ und GeCl₄ unterbrochen, der Sauerstoffdurchsatz durch SiCI₄ auf 2 l/Min, erhöht, und BCl₃ mit 0,3 l/Min, in die Flamme geleitet. Die Partikel wurden bis zu einer Schichtdicke von 10 cm niedergeschlagen, der Rohling gekühlt, der Träger entfernt, der Rohling bei 1000⁰C in Helium gesintert und bei 1150°C in Sauerstoff zur Faser gezogen. NA = 0,30%, Zusammensetzung des Kerns 12% GeO₂,22% P₂O₅,66% SiO₂; des Mantels 20% B₂O₃,80% SiO₂.

Beispiel 3

Das Beispiel beschreibt die Herstellung eines Wellenleiters mit Gradientenbrechungsindex. Flüssiges GeCl₄, SiCI₄ und POCl₃ wurden in getrennten Behältern auf einer Temperatur von 32° C bzw. 32° bzw. 35° C gehalten,

mit trockenem Sauerstoff durchperlt und die mitgenommenen Dämpfe in einen Brenner geleitet. Bei Durchsätzen des durchperlenden Sauerstoffs von 3,1 bzw. 0,3 bzw. 2 l/Min, wurden die mitgenommenen Dämpfe in der Flamme hydrolisiert und oxidiert und ergaben Partikel (Ruß) von 22% P₂O₅,12% GeO₂,66% SiO₂ und wurden auf einem rotierenden und hin- und herbewegten Borsilikatglasrohr mit dem äußeren Durchmesser von 6 mm niedergeschlagen, wobei der Sauerstoffdurchsatz durch das flüssige GeCI₄ und POCl₃ kontinuierlich verringert

wurde, so daß die Niederschlagsschicht einen radial abnehmenden Gehalt an GeO₂ und P₂O₅ erhielt Zur Regelung des Sauerstoffdurchsatzes wird z. B. ein entsprechend ausgebildeter Nocken, zur Regelung der flüssigen Komponenten z. B. die Vorrichtung nach der US-PS 38 26 560 verwendet Es wird ein Rohling mit einer Länge von ca. 15 cm, einem Durchmesser von 3,81 cm und radial unterschiedlicher Zusammensetzung in etwa 2 Std. Niederschlagsdauer erhalten, der das Kernmaterial für den optischen Wellenleiter mit einem bei 589,3 nm

gemessenen axialen Brechungsindex von 1,49 enthält Wenn der Außenbereich dieser ersten Schicht erreicht wird, wird der Gasstrom durch das POCl₃ und GeCl₄ unterbrochen, und 03 l/Min. BCl₃ in die Flamme geleitet, 2 I/Min. Sauerstoff durch SiCl₄ beibehalten. Die Niederschlagsschicht enthält 20% B₂O₃, 80% SiO₂ und bildet nach Konsolidierung eine Mantelglasschicht Brechungsindex 1,458. Hat die Schicht ca. 7 cm Dicke erreicht so wird sie auf Zimmertemperatur abgekühlt der Trägerstab entfernt und der Rohling in Helium bei 1000⁰C gesintert in einen Induktionsofen gebracht und in Sauerstoff bei 1150° C gezogen, wobei unter Querschnittsverringerung der mittlere Hohlraum zusammenfällt, bis der Wellenleiterquerschnitt erreicht ist Ein solcher Wellenleiter kann bis auf 0,127 mm äußerer Durchmesser gezogen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Wellenleiter, dessen Kern aus mit Germaniumdioxyd und Phosphorpentoxyd dotiertem Siliziumdioxyd und dessen Mantel aus Silikatglas hoher Reinheit besteht, wobei der Brechungsindex des Mantels kleiner als der Brechungsindex des Kernes ist,dadurchgekennzeichnet,

daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kernes um höchstens 15 χ 10-⁷/°C größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Mantels, und
daß der Mantel neben SiO₂ B₂O₃ enthält

2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweichungstemperatur des Kernes um etwa 50° C niedriger ist als die des Mantels.

3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen Gradientenbrechungsindex oder einen im wesentlichen konstanten Brechungsindex aufweist