DE69525222T2

DE69525222T2 - Verfahren zum Einbringen eines Kernes, Vorrichtung zum Herstellen von optischen Faservorformen und die daraus hergestellten optischen Fasern

Info

Publication number: DE69525222T2
Application number: DE69525222T
Authority: DE
Inventors: Ahmet Refik Kortan; Robert M Pafchek
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2015-11-02
Also published as: JP3524244B2; US5651083A; DE69525222D1; EP0711734B1; US5560759A; JPH08225334A; EP0711734A1; US5656058A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lichtwellenleiter. Insbesondere betrifft die Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Einführung von Kernmaterial in ein Mantelmaterial zur Ausbildung einer faseroptischen Preform mit einer qualitativ hochwertigen Kern-Mantel- Grenzfläche zur Verwendung bei der Herstellung eines verlustarmen Lichtwellenleiters.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Zur Verwendung in Langstreckenkommunikationssystemen sind Einmodenlichtwellenleiter erwünscht, die sowohl sichtbare als auch Infrarotenergie übertragen. Besonders wichtig bei der Herstellung von Lichtwellenleitern zur Verwendung bei Langstreckenanwendungen ist die Minimierung des Übertragungsverlusts. Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitern werden Glasschmelzen zu Glaspreforms gegossen, die dann zu Lichtwellenleitern gezogen werden. Lichtwellenleiter, die aus Glaspreforms gezogen werden, die insbesondere an der Kern-Mantel-Grenzfläche Kristallite und Blasen aufweisen, zeigen einen unerwünschten Streuverlust und reduzierte Übertragungskapazitäten. Aus Schwermetallfluoridgläsern hergestellte Preforms sind besonders dafür anfällig, daß sich Kristallite ausbilden, wenn die Gläser Temperaturen in der Nähe oder über der Kristallisationstemperatur ausgesetzt werden.
Bei herkömmlichen Verfahren zum Gießen von Lichtwellenleiterpreforms werden die Kern- und Mantelmaterialien bei der Hinzufügung des Kernmaterials zu dem Mantelmaterial über der Kristallisationstemperatur liegenden Temperaturen ausgesetzt. Bei diesen Verfahren wird eine Mantelglasschmelze abgekühlt und das Mantelglas später erneut auf Temperaturen erhitzt, die über der Kristallisationstemperatur liegen, wenn eine Kernglasschmelze zu dem Mantelglas hinzugefügt wird. Das Sauggießen ist ein herkömmliches Preformgießverfahren, bei dem Mantelglas in eine vorerhitzte Form mit einem Behälter an dem unteren Ende gegossen wird. Wenn sich das Mantelglas auf die Glasübergangstemperatur abkühlt, kommt es zu einem starken thermischen Zusammenziehen, wodurch das Mantelglasvolumen in dem Behälter eingeengt wird und in der Form ein zylindrisches Mantelrohr ausgebildet wird. Eine Kernglasschmelze wird in das Mantelglas gegossen und durch einen Saugeffekt durch das Mantelrohr gezogen. Die Temperatur der Kernglasschmelze liegt zum Zeitpunkt ihres Gießens auf das Mantelglas in der Regel mindestens etwa 300ºC über der Kristallisationstemperatur, wodurch das Mantelglas wieder an der Kern-Mantel-Grenzfläche auf Temperaturen über der Kristallisationstemperatur erhitzt wird. Somit führt dieses Verfahren, wie andere herkömmliche Gießverfahren, zur Bildung unerwünschter Kristallite an der Kern-Mantel-Grenzfläche. Das Sauggießen und andere herkömmliche Verfahren, wie etwa Einbaugießen (build-in casting), Rotationsgießen und Stab-in-Rohr-Gießen zur Herstellung faseroptischer Preforms sind in Kapitel 5 von Fluoride Glass Fiber Optics [Fluoridglas- Faseroptik], Academic Press, Inc., Hrsg. Ishivar D. Aggarwal und Grant Lu, S. 223-227 (1991) beschrieben. Siehe beispielsweise auch die US-Patente Nr. 4,793,842, 5,106,400 und 5,160,521.
Mit herkömmlichen Verfahren gegossene Preforms müssen vor dem Ziehen zu Einmodenfasern mit gewünschten Kern- und Mantel-Durchmessern modifiziert werden. Zu Beispielen für derartige Modifikationen zählt das Recken bei Temperaturen, die die Kristallitbildung weiter erhöhen, und die Mehrfachummantelung. Auch führen Gießverfahren, bei denen eine Kernschmelze in eine Mantelschmelze gegossen werden muß, zur Bildung unerwünschter Luftblasen am Kern der Preform.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Verfahren gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 18 und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Anspruch 21 definiert.
Es wird eine Kerneinführungstechnik für das Gießen von Preforms beschrieben, aus denen Lichtwellenleiter direkt gezogen werden können. Zu den Lichtwellenleitern zählen Mehrmoden- und Einmodenfasern mit gewünschten Faserdurchmessern und Kern-Mantel-Verhältnissen, aus denen die hier beschriebenen Preforms direkt gezogen werden können, ohne daß an den Preforms zusätzlich Modifikationen vorgenommen werden müßten. Es wird hier auch ein Gießverfahren beschrieben, das Preforms mit qualitativ hochwertigen Kern-Mantel-Grenzflächen liefert, da weder das Kernmaterial noch das Mantelmaterial während des Kerneinführungsvorgangs Kristallisationstemperaturen ausgesetzt werden. Das Kerneinführungsverfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich zur Herstellung von Einmodenfasern, die sich für Langstreckenkommunikationssysteme eignen, da durch die Reduzierung des Streuverlustes in den Preforms hierbei Lichtwellenleiter mit größeren Strecken ohne Zwischenverstärker hergestellt werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist im Querschnitt eine Seitenansicht einer Gießvorrichtung zum Bilden einer faseroptischen Preform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1A ist im Querschnitt eine Seitenansicht einer Gießvorrichtung zum Bilden einer faseroptischen Preform, wobei eine Kernfaser in ein Mantelmaterial in das Aufnahmegefäß des Gießvorrichtungsgehäuses eingeführt wird.
Fig. 2 ist im Querschnitt eine Seitenansicht des Gießvorrichtungsgehäuses entlang der Linien 2-2 von Fig. 1A, die die Beziehung zwischen dem Außen- und Innenteil des Mantelmaterials relativ zu der Kernfaser während der Ausbildung der Preform veranschaulicht.
Fig. 3A ist eine grafische Darstellung, die für Temperaturen des Preformgießgefäßes, des Kernmaterials und des Mantelmaterials während eines herkömmlichen Preformgießverfahrens nach dem Stand der Technik typisch ist.
Fig. 3B ist eine grafische Darstellung von typischen Temperaturen des Aufnahmegefäßes, der Kernfaser und des Mantelmaterials während einer Kerneinführungstechnik der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellte Preforms enthalten Kern- und Mantelmaterialien. Die Kern- und Mantelmaterialien bestehen bevorzugt aus Gläsern, insbesondere Schwermetallnichtoxidgläsern oder -oxidgläsern. Die hier beschriebenen Kern- und Mantelgläser werden unter trockenen inerten Bedingungen aus im Handel erhältlichen Reagentien hoher Reinheit hergestellt. Zur Verwendung bei der Herstellung der Preforms werden Materialien bevorzugt, bei denen sich die Viskosität stärker mit der Temperatur ändert, da sie der eingeführten Kernfaser einen geringeren Widerstand entgegensetzen. Gläser aus Silikaten, Boraten, Halogeniden oder Chalkogeniden eignen sich zur Herstellung der Preforms. Zur Herstellung der Preforms können Mehrkomponentengläser verwendet werden, die einen oder mehrere Glasbildner enthalten, wie etwa Siliziumoxidoxid oder Boroxid und andere Metalloxide, die keine Glasbildner sind. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Einsatz irgendeines dieser besonderen Gläser beschränkt. Der Fachmann kann sogar verschiedene andere Materialien zur Herstellung der Preforms gemäß dem hier beschriebenen Verfahren verwenden. Das Kerneinführungsverfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders zur Herstellung von Preforms, die aus sehr verschiedenen Kern- und Mantelmaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. So kann die Kernfaser beispielsweise Halogenide umfassen, und das Mantelmaterial kann Silikatglas umfassen.
Besondere Glaszusammensetzungen können kombiniert werden, um größere numerische Aperturen zu erhalten und die Brechungsindizes zu variieren. Der Brechungsindex der Zusammensetzung des Mantelglases sollte niedriger sein als der des Kernglases. Geeignete Dotierstoffe zum Modifizieren der Brechungsindizes der Kern- und Mantelglaszusammensetzungen sind LiF, HfF&sub4;, PbF&sub2;, AlF&sub3; und BiF&sub3;. Halogenidgläser, insbesondere Schwermetallfluoridgläser (HMF), sind wegen ihrer geringen Phononenenergie und ihres breiten Übertragungsfensters bevorzugte Materialien zur Herstellung von Lichtwellenleitern. HMF-Gläser sind außerdem geeignete Wirte für die Seltenerddotierung, da sie für Seltenerdionen eine hohe Löslichkeit aufweisen.
HMF-Gläser weisen schmale Arbeitstemperaturbereiche von etwa 80º bis 150ºC zwischen den Kristallisationstemperaturen (TX) und Glasübergangstemperaturen (Tg) auf. Preforms aus HMF-Gläsern, die durch herkömmliche Gießverfahren hergestellt wurden, sind dafür besonders anfällig, daß sich bei ihnen Kristallite ausbilden, wenn die Gläser Temperaturen in der Nähe oder über den Kristallisationstemperaturen ausgesetzt werden. Das hier beschriebene Kerneinführungsverfahren eignet sich somit insbesondere zur Herstellung von HMF-Glaspreforms. Die Kern- und Mantelgläser umfassen bevorzugt Fluorozirconate mit Zirconiumfluorid als der vorherrschenden Komponente sowie Modifizierern und Stabilisatoren mit Fluoriden von Barium, Lanthan, Natrium, Aluminium, Lithium, Gadolinium und Blei. Zu Beispielen für geeignete Fluorozirconatgläser zählen Zirconium-Barium-Gadoliniumfluorid (ZBG), Zirconium- Barium-Gadolinium-Aluminiumfluorid (ZBGA) und Zirconium-Barium-Lanthan-Aluminiumfluorid (ZBLA). Ein bevorzugtes Glas zur Verwendung bei der Herstellung der Preforms ist ZBLAN-Glas, das zur weiteren Stabilisierung des ZBLA-Glases durch die Hinzufügung von Natriumfluorid ausgebildet wird. Das ganz besonders bevorzugte Mantelglas zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ist das HBLAN-Glas, bei dem zum Reduzieren des Brechungsindexes des ZBLAN-Glases Zirconiumfluorid (ZrF&sub4;) durch Hafniumtetrafluorid (HfF&sub4;) ersetzt wird. Das ganz besonders bevorzugte Kernglas ist ZBLAN-Glas, das zur Erhöhung des Brechungsindexes mit bis zu 10% PbF&sub2; dotiert wurde. Weitere geeignete Dotierstoffe zum Modifizieren der Brechungsindizes der Fluoridglaszusammensetzungen sind LiF, AlF&sub3; und BiF&sub3;.
Die Kern- und Mantelgläser werden getrennt in SF6- Atmosphären bei Temperaturen von etwa 800ºC geschmolzen, besonders bevorzugt in Tiegeln aus Platin und glasartigem Kohlenstoff. Um Kohlenstoffteilchen aus den Kern- und Mantelmaterialien zu entfernen, können die Kern- und Mantelgläser dann getrennt einer verdünnten Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt werden. Das Kernglas wird auf Raumtemperatur abgekühlt und mit einer herkömmlichen Faserziehvorrichtung, wie etwa einem Faserziehturm, zu einer Kernfaser gezogen. Die Kernfaser kann aber auch direkt aus einem Tiegel gezogen werden. Faserziehverfahren werden in Fluoride Glass Optical Fibers [Optische Fluoridglasfasern], P. W. France et al., Blackie CRC Press Inc., S. 114-116 (1990); Encyclopedia of Chemical Technology [Enzyklopädie der chemischen Technik], John Wiley & Sons, S. 131-133 (1980) und Fluoride Glass Fiber Optics [Fluoridglas-Faseroptik], I. D. Aggarwal und G. Lu, Academic Press, Inc., S. 227-228 (1991), die unter Bezugnahme hier aufgenommen sind, beschrieben. Zur Verwendung bei der Herstellung einer Preform, die zu einem Einmodenlichtwellenleiter gezogen werden soll, wird eine auf einen Durchmesser von etwa 50 bis etwa 2000 Mikrometern gezogene Kernfaser bevorzugt. Vor der Einführung in das Mantelmaterial kann die Kernfaser bei Vorliegen einer reaktiven Atmosphäre zum Eliminieren von Fehlern und Oberflächenverunreinigungen beispielsweise durch Plasmaätzen behandelt werden.
Die Kernfaser kann eine kreisförmige oder nichtkreisförmige Querschnittsgeometrie aufweisen. Beispiele für nichtkreisförmig geformte Kernfasern sind quadratische, dreieckige, elliptische und spiralförmige Kernfasern. Mindestens eine Kernfaser wird gemäß dem hier beschriebenen Verfahren in das Mantelmaterial eingeführt. Es kann mehr als eine Kernfaser in das Mantelmaterial eingeführt werden; so können beispielsweise zehn Kernfasern, in das Mantelmaterial eingeführt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird auf etwa 600ºC bis etwa 700ºC abgekühltes Mantelglas in den ersten Teil eines Gießvorrichtungsgehäuses 10 eingeführt, in dem ein vorerhitztes temperaturgesteuertes Aufnahmegefäß 12 angeordnet ist, um in dem Gefäß 12 einen inneren Mantelteil und einen äußeren Mantelteil auszubilden. Das Gefäß 12 ist bevorzugt eine Form mit einer zylindrischen Kammer und einer Umfangswand. Die zylindrische Kammer des Gefäßes 12 enthält außerdem bevorzugt eine metallische Beschichtung. Mit einem dem Gefäß 12 zugeordneten Heizmittel 13 wird die Temperatur des Gefäßes 12 während des Kerneinführungsvorgangs auf einer etwas unter der Glasübergangstemperatur (Tg) liegenden konstanten Temperatur gehalten. Ein dem ersten Teil des Gehäuses 10 zugeordneter Klappenaktuator 14 wird gedreht, um die an einem ersten Ende des Gefäßes 12 befestigte Klappe 16 zu schließen, um zu verhindern, daß sich die Oberfläche abkühlt und das Mantelglas verunreinigt wird. Ein zweiter Teil des Gehäuses 10 ist mit dem ersten Teil des Gehäuses 10 verbunden. Eine mit dem Gehäuseauslaß 20 verbundene Vakuumpumpe 18 kann eingeschaltet werden, um in dem Gehäuse 10 ein Vakuum auszubilden, um die Ausbildung von Blasen in der Preform zu eliminieren. Eine vorbestimmte Länge an Kernfaser 22 wird in einer länglichen Orientierung in das in dem zweiten Teil des Gehäuses 10 angeordnete Stützglied 24 eingeführt. Der Klappenaktuator 14 wird gedreht, um die Klappe 16 zu öffnen, und die Kernfaser 22 wird schnell in die Mitte des Mantelglases in dem Gefäß 12 eingeführt, und zwar unmittelbar bevor sich das innere Mantelmaterial vollständig verfestigt.
Die Temperatur des inneren Mantelteils zum Zeitpunkt der Einführung der Kernfaser liegt unter der Kristallisationstemperatur (Tx) und über der Glasübergangstemperatur (Tg). Unter Bezugnahme auf Fig. 2 kommt es nach der Einführung des Mantelmaterials in das Gefäß 12 zur Verfestigung des Mantelmaterials von dem äußeren Teil des Mantelmaterials 26 neben der Innenwand 28 des Gefäßes 12 zu dem inneren Teil des Mantelmaterials 30, in das die Kernfaser 22 eingeführt wird. Zum Zeitpunkt der Einführung der Kernfaser ist der äußere Mantelteil 26 im wesentlichen verfestigt, während der innere Mantelteil 30 in einem ungefähr geschmolzenen Zustand bleibt. Der Kern sollte schnell eingeführt werden, damit die Kernfaser während des Vorgangs nicht aufweicht oder sich auflöst.
Bei der Einführung steigt die Temperatur der Kernfaser etwas über die Glasübergangstemperatur an und wird dann schnell abgeschreckt, wodurch Probleme mit der Kristallisation im Volumen vermieden werden. Bei der Einführung der Kernfaser in das Mantelmaterial werden weder die Kernfaser noch das Mantelmaterial Kristallisationstemperaturen ausgesetzt. Die Kernfaser wird bevorzugt bei der niedrigsten möglichen Temperatur in das Mantelmaterial eingeführt, bevor sich der innere Mantelteil vollständig verfestigt, so daß die Kernfaser nicht unnötig thermisch beansprucht wird. Da die Temperatur des Mantelglases nach seiner Einführung in das Gefäß 12 schnell abnimmt, beträgt die Kerneinführungszeit (tCIT) bei einer Preform mit einem Durchmesser von etwa 14 Millimetern bevorzugt etwa 80 bis etwa 100 Sekunden nach der Einführung des Mantelglases in das Gefäß 12. Die Kerneinführungszeit ist bei der Herstellung von Preforms mit größeren Durchmessern länger und bei der Herstellung von Preforms mit kleineren Durchmessern kürzer. Annehmbare Temperaturen für die Kernfaser zum Zeitpunkt der Einführung sind Temperaturen unter der Glasübergangstemperatur. Die Temperatur der Kernfaser zum Zeitpunkt der Einführung liegt bevorzugt bei etwa Raumtemperatur. Die Temperatur des inneren Mantelteils zum Zeitpunkt der Einführung der Kernfaser liegt unter der Kristallisationstemperatur und über der Glasübergangstemperatur des Mantelmaterials. Die Temperatur des Fluoridglas-Mantelmaterials zum Zeitpunkt seiner Einführung in die Form liegt bevorzugt bei etwa 600ºC bis etwa 700ºC. Bei einem Fluoridglas-Mantelmaterial liegt der innere Mantelteil zum Zeitpunkt der Einführung der Kernfaser bevorzugt etwa 15ºC bis etwa 35ºC unter der Kristallisationstemperatur. So sollte beispielsweise eine Kernfaser in ein Mantelmaterial, das aus ZBLAN-Glas mit einer Kristallisationstemperatur von etwa 355ºC besteht, eingeführt werden, wenn die Temperatur des inneren Mantelteils etwa 310ºC bis etwa 340ºC beträgt.
Fig. 3A veranschaulicht grafisch typische Temperaturen des Preformgießgefäßes, des Kernmaterials und des Mantelmaterials während eines herkömmlichen Preformgießverfahrens nach dem Stand der Technik. Im Vergleich veranschaulicht Fig. 3B grafisch typische Temperaturen des Aufnahmegefäßes, der Kernfaser und des Mantelmaterials während einer Kerneinführungstechnik der vorliegenden Erfindung. Der Zeitpunkt, zu dem die Kernschmelze bei dem herkömmlichen Verfahren in das Gießgefäß eingeleitet wird, ist als t&sub1; dargestellt. Der Zeitpunkt, zu dem die Kernfaser gemäß der vorliegenden Erfindung in das Mantelmaterial eingeführt wird, ist als tCIT dargestellt.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung soll die Art von Gießvorrichtung zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf eine beliebige bestimmte Ausführungsform beschränken. Der Fachmann kann sich verschiedene Modifikationen an der Vorrichtung ausdenken, um die hier beschriebene Kerneinführungstechnik durchzuführen. Bei einer Ausführungsform enthält die Preformgießvorrichtung ein dem Aufnahmegefäß zugeordnetes Mittel zum Erfassen, Steuern und Anzeigen der Temperatur des Mantelmaterials in dem Aufnahmegefäß. Bei einer anderen Ausführungsform enthält die Preformgießvorrichtung ein Mittel zum automatischen Einführen der Kernfaser in das Mantelmaterial, wenn das Mantelmaterial eine gewünschte Temperatur erreicht. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ein Zeitgabemittel zum Einführen der Kernfaser in das Mantelmaterial zu einem vorbestimmten Zeitpunkt enthalten.
Das Aufnahmegefäß der Gießvorrichtung kann eine kreisförmige oder nichtkreisförmige Querschnittsgeometrie aufweisen, um eine Preform mit einem Mantelmaterial bereitzustellen, das eine kreisförmige oder nichtkreisförmige Querschnittsgeometrie aufweist. Außerdem kann eine gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Preform gemäß dem hier beschriebenen Verfahren in ein zweites Mantelmaterial eingeführt werden. Die Größe des Mantelmaterials der Preform kann vor der Einführung in das zweite Mantelmaterial reduziert werden, und/oder seine Form kann geändert werden. Die resultierende Preform mit zwei Mantelschichten kann dann in ein drittes Mantelmaterial eingeführt werden. So können Preforms mit mehreren Mantelschichten gemäß dem hier beschriebenen Verfahren erhalten werden. So kann beispielsweise eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Preform ein quadratisches inneres Mantelmaterial, das eine Kernfaser umgibt, und ein äußeres kreisförmiges Mantelmaterial, das das innere Mantelmaterial umgibt, enthalten.
Die Preform kann nach dem Entfernen aus der Gießvorrichtung dann direkt zu einem Lichtwellenleiter mit dem gewünschten Kerndurchmesser und Manteldurchmesser gezogen werden, ohne daß eine Notwendigkeit zum Modifizieren der Preform durch zusätzliches Recken und Mantelbildung besteht. Bei dem Lichtwellenleiter kann es sich um eine Einmoden- oder Mehrmodenfaser handeln.
Aus hier beschriebenen Preforms gezogene Einmodenfasern weisen Durchmesser von etwa 100 bis etwa 200 Mikrometer und Kerndurchmesser von unter etwa 6 Mikrometer auf. Der Kerndurchmesser eines aus einer gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Preform gezogenen Einmodenlichtwellenleiters umfaßt weniger als 3% bis 6% des Durchmessers der Einmodenfaser. Das Kern-Mantel- Verhältnis einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Preform ist gleich dem Kern-Mantel-Verhältnis eines aus dieser Preform gezogenen Lichtwellenleiters. Somit wird der erforderliche Durchmesser der Kernfaser, die in das in einem Aufnahmegefäß mit einem vorbestimmten Durchmesser angeordnete Mantelmaterial eingeführt werden soll, durch das gewünschte Kern- Mantel-Verhältnis des aus der Preform zu ziehenden Lichtwellenleiters bestimmt. Für Einmodenlichtwellenleiter werden Kern-Mantel-Verhältnisse von etwa 0,005 bis etwa 0,05 bevorzugt.
Bei Einmodenausbreitungsfasern liegt die normierte Frequenz V bei höchstens 2,401. Der Parameter der normierten Frequenz beschreibt die Beziehung der Wellenlänge des sich durch den Lichtwellenleiterkern ausbreitenden geführten Lichts zu den Brechungsindizes des Kerns und des Fasermantels und wird ausgedrückt durch die Formel V = (2πa/λ) (n - n 1/2), wobei a der Radius des Kerns der Faser, λ die Arbeitswellenlänge und n der Brechungsindex ist. Die numerische Apertur des Lichtwellenleiters wird ausgedrückt durch die Formel NA = (n - n 1/2), Der erforderliche Durchmesser 2a des Kerns des Einmodenlichtwellenleiters kann durch die Formel 2a < (V · λ)/(2π · NA) bestimmt werden. Eine bevorzugte Arbeitswellenlänge für einen Einmodenlichtwellenleiter ist 1,3 um. Der Durchmesser des Kerns einer Einmodenfluoridfaser mit einer Arbeitswellenlänge von 1,3 um muß unter 6 Mikrometern liegen. Kernfasern mit einem geringeren Durchmesser und Mantelformen mit einem größeren Durchmesser können zur Produktion von Preforms zur Herstellung von Lichtwellenleitern mit größeren numerischen Aperturen und/oder kürzeren Arbeitswellenlängen verwendet werden.
Die aus den Preforms der vorliegenden Erfindung gezogenen Lichtwellenleiter können zur Untersuchung der Kern-Mantel-Grenzflächen der Lichtwellenleiter unter einem Interferenzmikroskop untersucht werden. Durch Interferenzmikroskopie zeigt sich, daß aus gemäß dem Kerneinführungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Preforms gezogene Lichtwellenleiter qualitativ hochwertige Kern-Mantel-Grenzflächen aufweisen, die frei von Kristalliten sind.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Kerneinführungsverfahren, die Preforms und Lichtwellenleiter der vorliegenden Erfindung.

Beispiel 1

Herstellung von Kernglas und Kernfaser

In einem Handschuhkasten unter Argonatmosphäre wurde aus 53 Mol-% ZrF&sub4;, 20 Mol-% BaF&sub2;, 4 Mol-% LaF und 20 Mol-% NaF bestehendes ZBLAN-Kernglas, dotiert mit 10% PbF&sub2; zum Erhöhen des Brechungsindexes, aus im Handel erhältlichen Materialien hoher Reinheit hergestellt. Das Kernglas wurde in einer SF&sub6;-Atmosphäre in einem aus Platin und glasartigem Kohlenstoff bestehenden Tiegel bei 800ºC geschmolzen und dann einer verdünnten Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt. Das geschmolzene Glas wurde auf 600ºC abgekühlt und dann in eine vergoldete Messingform gegossen. Das Kernglas wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt, aus der Form entfernt, an einem Faserziehturm befestigt und zu einer Kernfaser mit einem Durchmesser von 500 Mikrometern gezogen. Die Kernfaser wurde dann auf eine Länge von 10 Zentimetern geschnitten.

Beispiel 2

Herstellung des Mantelglases

In einem Handschuhkasten unter Argonatmosphäre wurde aus 53 Mol-% HfF&sub4;, 20 Mol-% BaF&sub2;, 4 Mol-% LaF und 20 Mol-% NaF bestehendes HBLAN-Glas aus im Handel erhältlichen pulverförmigen Materialien hoher Reinheit hergestellt. Das Mantelglas wurde in einem aus Platin und glasartigem Kohlenstoff bestehenden Tiegel in einer SF&sub6;-Atmosphäre bei 800ºC geschmolzen und dann einer verdünnten Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt. Das geschmolzene Mantelglas wurde auf 600ºC abgekühlt und dann in das vorerhitzte (250ºC) vergoldete Aufnahmegefäß aus Messing (mit einem Durchmesser von 14 Millimetern) der Preformgießvorrichtung gegossen. Die an dem ersten Ende des Aufnahmegefäßes angeordnete Klappe wurde geschlossen, um das Mantelglas vor Verunreinigung und Abkühlung der Oberfläche zu schützen. In dem Gießvorrichtungsgehäuse wurde ein Vakuum ausgebildet, um zu verhindern, daß sich während der Einführung der Kernfaser Argonblasen im Mantelglas ausbildeten.

Beispiel 3

Einführung der Kernfaser, um die Preform zu erhalten

Die Kernfaser von Beispiel 1 mit einer Temperatur von 25ºC wurde in dem Stützglied der Gießvorrichtung angeordnet. Die Kernfaser wurde 100 Sekunden nach dem Gießen des Mantelglases in das Preformgießaufnahmegefäß schnell in das Mantelglas von Beispiel 2 eingeführt. Die Temperatur der inneren Mantelschicht zum Zeitpunkt der Einführung der Kernfaser betrug 320ºC. Die Temperatur der Form wurde während des Einführungsvorgangs bei 260ºC gehalten. Nach der Einführung der Kernfaser sank die Temperatur der Preform auf Raumtemperatur und wurde dann aus der Gießvorrichtung entfernt.
Die Preform wurde zu einer Einmodenfaser gezogen und unter einem Interferenzmikroskop untersucht. Die Preform wies ringförmige Beugungsstreifen auf, was darauf hinwies, daß die Kern-Mantel-Grenzfläche frei von Kristalliten war.
Angesichts der obigen Lehren sind andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist deshalb zu verstehen, daß an bestimmten Ausführungsformen der beschriebenen Erfindung Änderungen vorgenommen werden können, die in dem vollständigen, beabsichtigten Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, liegen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Preform, mit den folgenden Schritten:

a) Einleiten eines geschmolzenen Mantelmaterials in ein Aufnahmegefäß (12) mit einer Umfangswand;

b) Zulassen, daß sich ein äußerer Umfangsteil (26) des geschmolzenen Mantelmaterials im wesentlichen verfestigt; und

c) Einführen mindestens einer Kernfaser (22) in einen inneren Mantelteil (30) des Mantelmaterials zur Ausbildung einer faseroptischen Preform, wenn die Temperatur des inneren Mantelteils (30) des Mantelmaterials unter der Kristallisationstemperatur des Mantelmaterials und über der Glasübergangstemperatur des Mantelmaterials liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einführens der Kernfaser (22) in das Mantelmaterial unter Vakuum oder in inerter Atmosphäre durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Ausbildens einer zusätzlichen Mantelschicht auf der faseroptischen Preform durch Einführen der faseroptischen Preform in ein weiteres geschmolzenes Mantelmaterial und Zulassen, daß sich das weitere geschmolzene Mantelmaterial zur Ausbildung der zusätzlichen Mantelschicht verfestigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernfaser (22) und das Mantelmaterial aus Gläsern bestehen, die aus der Gruppe bestehend aus Silikaten, Boraten, Chalkogeniden und Halogeniden ausgewählt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernfaser (22) aus einem Schwermetallhalogenidglas besteht und das Mantelmaterial aus einem Schwermetallhalogenidglas besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Schwermetallhalogenidglas ein Schwermetallfluoridglas ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Fluoridglas ein aus der Gruppe bestehend aus ZBL, ZBA, ZBLA, ZBGA, ZBLAN, HBLA und HBLAN ausgewähltes Mehrkomponentenglas ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Einführens der Kernfaser (22) in das Mantelmaterial innerhalb eines Zeitraums von zwischen etwa 80 Sekunden bis etwa 110 Sekunden nach dem Schritt des Einführens des Mantelmaterials in das Aufnahmegefäß (12) durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Einführens der Kernfaser (22) in das Mantelmaterial etwa 100 Sekunden nach dem Schritt des Einführens des Mantelmaterials in das Aufnahmegefäß (12) durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernfaser (22) aus mit PbF&sub2; dotiertem ZBLAN-Glas und das Mantelmaterial aus HBLAN-Glas besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der Kernfaser (22) zwischen etwa 50 Mikrometern bis etwa 2000 Mikrometern liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der Kernfaser (22) unter 600 Mikrometern liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Preform ein Kern-Mantel-Verhältnis von etwa 0,005 bis etwa 0,05 aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der Kernfaser (22) zum Zeitpunkt des Einführens der Kernfaser (22) in das Mantelmaterial unter der Glasübergangstemperatur der Kernfaser (22) liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Mantelmaterials zum Zeitpunkt des Einführens des Mantelmaterials in das Aufnahmegefäß (12) zwischen etwa 600º und etwa 700ºC liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des inneren Mantelteils (30) des Mantelmaterials zum Zeitpunkt der Einführung der Kernfaser (22) in das Mantelmaterial zwischen etwa 310ºC und etwa 340ºC liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einführens der Kernfaser (22) in das Mantelmaterial dann durchgeführt wird, wenn die Temperatur des inneren Umfangsteils (30) des Mantelmaterials zwischen etwa 15ºC und etwa 35ºC unter der Kristallisationstemperatur des Mantelmaterials liegt.

18. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters, mit den folgenden Schritten:

b) Zulassen, daß sich ein äußerer Mantelteil (26) des geschmolzenen Mantelmaterials im wesentlichen verfestigt;

c) Einführen einer Kernfaser (22) in einen inneren Mantelteil (30) des geschmolzenen Mantelmaterials zur Ausbildung einer optischen Preform, wenn die Temperatur des inneren Mantelteils (30) des Mantelmaterials unter der Kristallisationstemperatur des Mantelmaterials und über der Glasübergangstemperatur des Mantelmaterials liegt; und

d) Ziehen der Preform zu einem Lichtwellenleiter.

19. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin mit dem Schritt des Auftragens einer Beschichtung auf den Lichtwellenleiter.

20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Lichtwellenleiter ein Einmodenlichtwellenleiter ist.

21. Vorrichtung zur Herstellung einer faseroptischen Preform, die folgendes umfaßt:

a) ein Aufnahmegefäß (12), das eine axiale Kammer (31) mit einem vorbestimmten Durchmesser definiert, die so konfiguriert ist, daß sie ein Mantelmaterial hält, wobei die axiale Kammer (31) eine obere Öffnung aufweist;

b) ein Mittel (13) zum Erhitzen des Aufnahmegefäßes (12), um das Mantelmaterial in einem geschmolzenen Zustand zu halten;

c) ein Mittel zum Bewirken einer axialen Einführung einer Kernfaser (22) in das Aufnahmegefäß (12), wobei das Mittel zum Bewirken einer axialen Einführung ein Stützglied (24) zum Halten einer vorbestimmten Länge an Kernfaser (22) in einer länglichen Orientierung zur axialen Einführung in das Aufnahmegefäß (12) mit dem Mantelmaterial darin umfaßt, während sich das Mantelmaterial in einem teilweise geschmolzenen Zustand befindet, um die faseroptische Preform mit einer vorbestimmten Länge und einem vorbestimmten Durchmesser auszubilden, wobei das Stützglied (24) relativ zu dem Aufnahmegefäß (12) zwischen einer oberen Position, in der sich die Kernfaser (22) über dem Aufnahmegefäß (12) befindet, und einer unteren Position, in der die Kernfaser (22) in dem Mantelmaterial in dem Aufnahmegefäß (12) eingetaucht ist, linear bewegt werden kann, um die axiale Einführung der Kernfaser (22) in das Aufnahmegefäß (12) zu bewirken; und

d) eine Klappe (16), die zwischen einer geschlossenen Position, in der die Klappe (16) die obere Öffnung der axialen Kammer (31) des Aufnahmegefäßes (12) abdeckt, und einer geöffneten Position, in der die obere Öffnung der axialen Kammer (31) unbedeckt ist, bewegt werden kann.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse (10) enthält, das so ausgelegt ist, daß es das Aufnahmegefäß (12) und das Stützglied (24) umgibt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Gehäuse (10) mindestens einen ersten und einen zweiten trennbaren Gehäuseteil aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Vorrichtung ein Mittel zur Bereitstellung eines Vakuums in dem Inneren des Gehäuses (10) enthält.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Mittel (13) zum Erhitzen des Aufnahmegefäßes (12) die Heizkapazität aufweist, das Aufnahmegefäß (12) auf eine Temperatur von 250ºC zu erhitzen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der innere Mantelteil (30) des geschmolzenen Mantelmaterials zum Zeitpunkt der axialen Einführung der Kernfaser (22) in das Aufnahmegefäß (12) ein Glas mit einer Temperatur im Bereich von etwa 310ºC bis etwa 340ºC ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Mittel zum Erhitzen (13) des Aufnahmegefäßes (12) mindestens einen Teil des Aufnahmegefäßes (12) berührt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Klappe (16) schwenkbar an dem Aufnahmegefäß (12) angebracht ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Vorrichtung weiterhin einen mit der Klappe verbundenen drehbaren Klappenaktuator (14) zum Bewirken einer Bewegung der Klappe (16) zwischen der geschlossenen und der geöffneten Position enthält.