NO153050B - Fremgangsmaate til i det vesentlige kontinuerlig aa fremstille et optisk boelgelederemne og en optisk boelgeleder - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte som anvender

en i lengderetningen fremført startdel for hovedsakelig kontinuerlig dannelse av et optisk bølgelederemne for fremstilling av bølgeledere, som angitt i innledningen til krav 1.

Kommunikasjonssystemer med høy kapasitet og som drives rundt 10"'""' Hz er ønsket for å imøtekomme fremtidige økninger i kommunikasjon. Slike systemer betegnes som optiske

15 0

kommunikasjonssystemer, da 10 Hz ligger innenfor frekvens-spektret for lys. Optiske bølgeledere som er de mest lovende medier for overføring ved slike frekvenser består vanligvis av et optisk filament med en transparent kjerne som er omgitt av et transparent kledningsmateriale med en refraksjonsindeks som er lavere enn den for kjernen. En meget omhyggelig og fullstendig diskusjon med hensyn til driftsteoriene for optiske bølgeledere er gitt i U.S. patent nr. 3157726 og i publikasjonen "Cylindrical Dielectric Waveguide Modes" av E. Snitzer, Journal of the Optical Society of America, vol.

51, nr. 5, sidene 491 - 498, mai 1961. En annen velegnet in-formasjonskilde med hensyn til optiske bølgeledere er "Fiber Optics - Principles and Applications" av N.S. Kapany, Academic Press, 1967.

Forplantningen av lysbølger bestemmes av fysikkens lover på tilsvarende måte som forplantningen av mikrobølger og kan derfor studeres i form av modi. Hver av disse modi har sin egen forplantnings- og fordelingskarakteristikk. Be-tingelsene under hvilke forplantningen av en spesiell modus ikke lenger vil bli lokalisert i eller rundt kjernen til et optisk filament kan uttrykkes i form av en begrensningsverdi eller parameter U. En overmåte komplisert ligning og en for-klaring av denne, fra hvilken verdien U for en spesiell modus kan bestemmes, kan finnes på side 5 5 i den foran nevnte publikasjon av N. S. Kapany. Kapany uttrykker også en verdi R som er karakteristisk for en fiber, og som nu betegnes som V, som funksjon av de optiske fibervariabler, og som bestemmes av følgende uttrykk:

hvor a er kjerneradien for bølgelederen, X er bølgelengden for lys som skal overføres, og n, og n2 er refraksjonsindeksene for kjernen og kledningen. Som forklart i Kapany må for at en spesiell modus skal forplantes i et optisk filament med en spesiell filamentkarakteristikk V, V være større enn eller lik begrensningsverdien <U for modusen.

Typiske flermadus bølgeledere har kjernediametre mellom 50 mikrometer og 100 mikrometer og kjernekledningsrefrak-sjonsindekser som adskiller seg med flere prosent. Tusener av modi forplantes, idet hver modus føres frem med en noe for-skjellig gruppehastighet. En kort inngangspuls som er felles for mange førte modi splittes således opp i en følge av pulser som ankommer ved utgangsenden til forskjellige tidspunkter. Denne pulsdispersjon begrenser den informasjonsbærende kapasitet for flermodus bølgeledere. Det totale antall modi som kan bæres av et bølqelederfilament er gitt tilnærmet av uttrvkket:

Uttrykkene (1) og (2) angir at flere modi kan ledes

hvis kjerneradien er stor eller hvis refraksjonsindeksforskjel-len er stor. Det skal bemerkes at uttrykket (2) ikke er meget nøyaktig for små verdier for N, men er anvendbart for vurder-ing av antall modi som vil bli forplantet av en flermodus optisk bølgeleder.

Det er mulig å utforme en optisk bølgeleder slik at bare en modus, HE-^-modusen, forplantes, hvorved det elimine-res den foran nevnte pulsdispersjon og det åpnes vei for en G.Hz-overføring. Det er blitt funnet at for en slik enkel modusdrift må V være mindre enn 2,4 05. Hvis V settes lik 2,405 og uttrykket (1) regnes ut, ser man at en metode for å begrense lysforplantningen med en ønsket bølgelengde til en modus er å koordinere parametrene a, n^ og r\ 2- Det betyr, hvis forskjellen mellom de to refraksjonsindekser (n^-n2) øker, må kjerneradien avta, og hvis (n^-n2> avtar, må kjerneradien øke.

For såvel enkel modus som flermodus bølgeledere kan vanlig glassfiberoptikk ikke benyttes, da dempningen i denne på grunn av såvel egenspredning som urenhetsabsorbsjon er altfor høy. Da rent smeltet siliciumdioksyd har den minste kjente optiske dempning av noen glassorter i rødt og nær den infrarøde del av spektret hvor optisk kommunikasjon synes mest lovende, ble rent smeltet siliciumdioksyd og dopet smeltet siliciumdioksyd noen av de første materialer som ble be-traktet for bruk ved fremstilling av optiske bølgelengder.

F. eks. er enkel modus optiske bølgeledere blitt utformet ved innsetting av en titaniumoksyddopet siliciumdioksydfiber i en siliciumdioksydkapillar. Røret ble oppvarmet og faller sammen på den sentrale fiber for dannelsen av en fast masse som trekkes på nytt til bølgelederdimensjoner. Bølgeledere fremstilt ved denne metode er utilfredsstillende på grunn av tallrike små luftbobler og fremmede partikler ved kjernekledningsgrenseflaten og variasjoner i kjernediameter, som alt bevirker en meget høy dempning.

U.S. patent nr. 3711262 beskriver en fremgangsmåte for dannelsen av en enkel bølgeleder og en flermodus bølgele-der med en uvanlig ren og sterk binding mellom kjerne og kled-ningsmaterialene. Bølgelederne fremstilt i samsvar med fremgangsmåten ifølge dette patent gir en lav dempning som skriver seg fra lysspredningssentrene ved kjernekledningsgrenseflaten. Ved fremgangsmåten ifølge dette patent dannes ved en flamme-hydrolyseprosess (slik dette uttrykk er definert nedenfor) et belegg av glassot på innsiden av veggen til et glassrør, den resulterende konstruksjon blir oppvarmet for å konsolidere glassotet og danner et tett glasslag som er fritt for partik-kelavgrensninger, hvoretter glassrøret og glasslagkombinasjonen blir trukket for å redusere tverrsnittsflaten til dette og å la laget av glass falle sammen for dannelsen av et filament med en fast tverrsnittsflate. Selv om det derved blir feil-veiebragt en forbedret kjernekledningsgrenseflate, er ikke denne metode lett anvendbar for kontinuerlig dannelse av emner eller bølgeledere.

Flermodusfibre med et relativt lavt forhold mellom totaldiameter og kjernediameter er blitt fremstilt ved en fremgangsmåte som er beskrevet i U.S. patent nr. 3737292. I samsvar med fremgangsmåten i dette patent dannes en flermodus optisk bølgeleder ved påføring av et første glasslag med en forutbestemt refraksjonsindeks på den ytre omkretsveggflate til en i det vesentlige sylindrisk dor og at det deretter an-bringes et andre glasslag på den ytre flate til det første belegg hvor refraksjonsindeksen til det andre lag er mindre enn den til det første lag. Doren fjernes ved syreetsing, boring eller lignende. Den resulterende sylindriske hule innretning blir så oppvarmet og trukket for å redusere tverrsnittsflaten og for å la det første og indre lag av glass falle sammen for dannelsen av et fast filament med en høy kvalitet for grenseflaten mellom kjerne og kledning. For å benytte denne metode for dannelsen av en enkel modus optisk bølgeleder med store forholdstall mellom totaldiameter og kjernediameter, må tykkelsen til det først påførte glasslag drastisk reduseres og tykkelsen for det andre påførte glasslag må være tilsvarende øket. Det er ekstremt vanskelig å benytte fremgangsmåten ifølge U.S. patent nr. 3737292 for å regulere diameteren for bølgelederkjernen til den toleranse som kreves for en optisk bølgelder med stort forholdstall mellom totaldiameter og kjernediameter.

I U.S. patent nr. 4062665 er det beskrevet en kontinuerlig fremstilling av en optisk fiber preform. I samsvar med denne fremgangsmåte blir en tungtsmeltende utgangsdel rotert og samtidig beveget langs rotasjonsaksen. Et glassråmateriale for dannelsen av kjernen til en porøs preform og følgelig en optisk filament preform innføres i en høytempera-turdel nær spissen til en høytemperaturbrenner fra en dyse for kjernen som er plassert i innretting med rotasjonssentret på en endeflate av startdelen. Glassråmaterialet som blåses ut fra dysen for kjernen tvinges av flammen til høytemperatur-brenneren til å reagere for dannelsen av fine glasspartikler, som utfelles på endeflaten til startdelen ved den sentrale del i dens aksielle retning for dannelsen av en porøs kjerne.

Minst en dyse for utsprøyting av glassråmateriale for dannelsen av kledningen til den optiske filament preform er plassert motsatt til endeflaten til startdelen, men med en liten avvik-else fra rotasjonsaksen til denne eller plassert motsatt til omkretsflaten til den porøse kjerne. Glassråmaterialet for kledningen sprøytes ut fra kledningsdysen på høytemperaturde-len til temperaturbrenneren og bringes til å reagere for dannelsen av fine glasspartikler som utfelles på endeflaten til startdelen på yttersiden av den porøse kjerne eller på omkretsflaten til denne samtidig som dannelsen av sistnevnte foregår, hvorved det dannes en porøs kledning. Den porøse preform som således oppnås beveges til en høytemperaturovn som er anordnet i bevegelsesbanen for preformen for glassdann-else av denne til en optisk filamentpreform. I denne forbindelse skal det også vises til publikasjonen "Continuous Fabri-cation of High Silicia Fiber Form" av T. Izawa, S. Kobayashi,

S. Sudo og F. Hanawa, 1977 International Conference on Inte-grated Optics and Optical Fiber Communication, juli 18-20, 1977, Tokyo, Japan, Technical Digest, sidene 37 5 - 377. Izawa-patentet og publikasjonen angir en kontinuerlig frem-stillingsmetode for fremstilling av flermodus trinnindeks og gradert indekspreformer ved en dampfaseaksiell utfelling.

Dette er en metode hvor såvel kjernen som kledningsglassotet utfelles kontinuerlig på eiiden til en startstav. Metoden som er angitt her er imidlertid ikke hensiktsmessig for fremstillingen av en enkeltmodus bølgelederpreform, hvor kjerneglass-diameteren er meget liten i sammenligning med den totale fiber-diameter og hvor en veldefinert grenseflate er krevet. Enten vil flere sotstrømmer (for kjernen og kledningssammensetningene) sammenblandes i utfellingssonen og bevirke et meget diffust kjerneområde eller, hvis sotstrømmene adskilles tilstrekkelig for å unngå dette, vil det fremkomme en uhåndterlig, usintret

preform med meget stor diameter.

Som det fremgår av ovenstående foreligger et problem med fremstillingen av optiske bølgeledere med store forholdstall mellom total diameter og kjernediameter. Således er fremstillingen av bølgeledere med kjerne og kledningsrefraksjons-indekser innenfor grenser som er nødvendige for å holde en enkeltmodusforplantning vanskelig, selv for bølgeledere med meget små kjerner. Vanskeligheten økes markant ved fremstilling av bølgeledere med større kjerner, da forskjellen i refraksjonsindekser må bli tilsvarende redusert. Hvis f. eks. den optiske bølgelengde skal ha en smal kjerne, dvs. en kjernediameter på ca. 1 mikron, må den krevede differanse mellom de to

-2 refraksjonsindekser være i størrelsesorden 10 , og hvis den optiske bølgelengde skal ha en stor kjerne, dvs. en kjernediameter på ca. 1 mm, må den krevede forskjell i de to refraksjonsindekser være enda mindre, dvs. i størrelsesorden 10-4

Det skal heller ikke overses at selv om enkeltmodus bølgeledere gir en ekstremt lav pulsdispersjon, vil overføring av lys over stor avstand ikke være mulig hvis ikke enkeltmodus bølgelederen er istand til å gi lave tap i lysoverføringen. Videre må absorbsjonstapene minimaliseres ved benyttelsen av glass med høy renhet med ekstremt lavt innhold av urenheter. Selv om en viss egenspredning på grunn av uhomogeniteter i det dielektriske materiale er uunngåelig, er det viktig å unngå spredningstap som resulterer i uregelmessigheter i grenseflaten mellom kjerne og kledning, forårsaket av innfanging av tallrike bitte små luftbobler og fremmedpartikler ved grenseflaten og ved kjernediametervariasjoner på grunn av uegnet dimensjons-kontroll. For enkeltmodus bølgeledere er det likeledes ønsket en veldefinert grenseflate mellom kjerne og kledning. Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å løse det ovenståénde problem og.å opprettholde lave tap ved lysoverføring, en riktig definert grenseflate mellom kjerne og kledning og minimale ab-sorbsjonstap og spredningstap.

Problemene blir generelt løst ved en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art og som er kjennetegnet ved at en ende av det i lengderetningen kontinuerlige kjerne-element av en forutbestemt diameter festes til en endeoverflate av startdelen, og at kjernedelelementet og startdelen fremføres i lengderetningen, mens det samtidig tilføres et adhererende belegg av nevnte partikkelformet materiale til kjernedelelementet for å danne kontinuerlig og hovedsakelig homogent belegg av jevn tykkelse på emnet.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av under-kravene.

Videre hensikter, trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse. Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere beskrives ved hjelp av utførelseseksempler som er fremstilt på tegningene, som viser: fig. 1 et delriss, delvis i snitt som viser begynn-elsen av påføringen av partikkelformet materiale på kjernedelen,

fig. 2 et delriss, delvis i snitt som viser oppbygg-ingen av det partikkelformede materiale på den ytre plate til kjernedelen,

fig. 3 et delriss, delvis i snitt som viser den i det vesentlige kontinuerlige dannelse av et optisk filament ifølge oppfinnelsen, og

fig. 4 et delriss, delvis i snitt som viser en annen utførelse av oppfinnelsen.

Det skal bemerkes at tegningene bare er ment som en illustrasjon og skjematisk beskrivelse av oppfinnelsen og at de relative størrelser mellom elementene er valgt til illustra-sjonsformål. Oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med en i det vesentlige kontinuerlig dannelse av ét enkeltmodus optisk bølgelederemne eller en preform og selve bølgelederne, men oppfinnelsen er ikke begrenset bare til dette.

Med uttrykket dampfaseoksydasjon slik det er brukt

i det følgende er det ment å omfatte "kjemisk damputfelling" og også andre dampfaseoksydasjonsmetoder. Uttrykket "kjemisk damputfelling" skal bety dannelsen av utfellinger ved kjemiske reaksjoner som finner sted på, ved eller nær utfellingsflaten,

en definisjon som er gitt på side 3 i artikkelen "Vapor De-position" av C. F. Powell et al, New York, John Wiley and Sons Inc., 1966. Variasjoner av denne metode vil være kjent for fagmannen og kan bli benyttet for å bevirke utfellingen av et egnet belegg av glass ved en kjemisk damputfellingsprosess.

En effektiv innretning for påføring av belegg ved dampfaseoksydasjon er å sintre et sotlag av ønsket materiale som påføres ved en "flammehydrolyse"-prosess som definert nedenfor og slik som beskrevet i U.S. patentene nr. 2272342 eller 2326059.

Det skal forstås at glass for optiske bølgeledere vanligvis tildannes ved medføring av en damp i en bæregass

som tilføres til en utfellings- eller avsetningsbrenner. Gas-sen bringes til å reagere for å avsette eller utfelle sot av findelt materiale. Tidligere litteratur viser til en kjemisk prosess som beskrevet i U.S. patentene nr. 2272342 og 2326059, hvilken prosess betegnes som flammehydrolyse. I den senere tid er imidlertid ved arbeidet på dette område k6mmet frem den erkjennelse at den kjemiske prosess ikke er hydrolyse, men istedet en oksydasjon. "Handbook of Chemistry and Physics" beskriver oksydasjon som en prosess som øker andelen av oksygen eller syredannende elementer i en forbindelse. På den annen side defineres hydrolyse som en reaksjon som innbefatter oppspalting av vann til dets ioner og dannelsen av en svak syre eller base eller begge deler. Definisjonen av oksydasjon beskriver bedre den prosess som opptrer ved damputfellings-prosesser av denne type. I alle tilfeller benyttes brenneren

ved den kjente teknikk på samme måte. Uttrykket "oksyderende" benyttes her alternativt til hydrolysere, fordi det mer nøyak-tig beskriver den kjemiske prosess som benyttes. Det resulterende produkt er det samme uansett hvilket uttrykk som benyttes for å beskrive prosessen.

Det vises nå til fig. 1 hvor det er vist et relativt tykt fast glassfilament eller kjernedel 10 som er stivt festet til en ende på startelementet 12. Kjernedelen 10 vil til slutt danne kjernen for den optiske bølgeleder og kan tildannes med hvilken som helst egnet prosess, som f. eks. indre eller ytre dampfaseoksydering innbefattende kjemisk damputfelling, kjerne-boring av en fast stav fra et større legeme, direkte smelte-trekking eller lignende. Kjernedelen kan også tildannes ved hvilken som helst av de tidligere metoder til en størrelse større enn den som kreves og deretter trekkes til ønsket diameter. Da kjernedelen til slutt vil danne kjernen for den optiske bølgeleder, må dens sammensetting og renhet være av den type og kvalitet som er egnet for optiske bølgelederan-vendelser. Egnede eksempler på kjernedelmaterialer er ren smeltet siliciumdioksyd, dopet smeltet siliciumdioksyd, ger-maniumoksyd eller andre optiske kvalitetsglass med høy renhet.

Startdelen 12 kan være forbundet til en hvilken som helst egnet kjent innretning (ikke vist) for videreføring langs delens langsgående akse. Startdelen kan også dreies om sin langsgående akse hvis dette er ønsket gg slik som beskrevet nedenfor. Startdelen 12 kan være utformet av et hvilket som helst egnet materiale, såsom glass, tungtsmeltende materiale, såsom A^O^, mullit, Si-^N^ eller lignende så lenge bare startdelen ikke nedbrytes under de etterfølgende trinn, og kjernedelen kan festes til denne, f. eks. ved smelting eller lignende. Endeflaten til startdelen 12 er vist på fig. 1 med en konveks flate, men kan også ha en plan flate eller en konkav flate. Enden til startdelen 12 kan også være "ballong"-formet eller kulelignende og gi en konveks utfellingsflate. Utformingen til endeflaten er således ikke kritisk. Vanligvis vil såvel kjernedelen 10 og startdelen 12 være sylindriske, men den geometriske form for disse deler vil ikke være kritisk.

Et fastsittende belegg av partikkelformet materiale som til slutt vil danne kledningen til bølgelderen blir så utfelt ved hjelp av en eller flere brennere 14 på endeflaten til startdelen 12 og den ytre flate til kjernedelen 10. En hvilken som helst brenner innbefattende flatbrennere, ribbebrennere, ringbrennere eller lignende som gir en strøm av partikkelformet materiale som kan rettes mot kjernedelen er egnet til formålet. Som eksempel på egnede brennere kan det vises til U.S. patent nr. 3565345. Det partikkelformede materiale 16 som danner det fastsittende belegg på kjernedelen 10 kan være et hvilket som helst materiale som er egnet for kledning av en optisk bølgeleder, men må ha en refraksjonsindeks som er mindre enn den for kjernedelen. Hvilke som helst egnede kjente innretninger for tilførsel av bestanddelene til brennere 14 kan benyttes.

På fig. 2 er det vist at det som partikkelformet materiale påføres eller utfelles et fastsittende belegg 18 av sot eller partikkelformet materiale dannes på den ytre flate av kjernedelen 10. Med et fastsittende belegg av sot eller partikkelformet materiale er det ment et relativt porøst legeme hvor små partikler av glass eller av det materiale som utfelles blir festet til hverandre med noe mellomrom mellom seg. Det skal forstås at, hvis ønsket, belegget 18 kan utfelles i form av fast glass uten først å danne et porøst legeme. Med en slik utførelse vil trinnet med etterfølgende konsolidering av det porøse legeme, slik som beskrevet nedenfor, unngås. Imidlertid kan det anføres at ved utfelling av belegget 18 i fast form må materialet i kjernedelen 10 ha en mykningstempera-tur som er tilstrekkelig høy, og beleggmaterialet må ha en konsolideringstemperatur som er tilstrekkelig lav til å tillate at belegget konsoliderer uten uheldig å påvirke kjernedelen og den resulterende konstruksjon. Et eksempel på en kombinasjon av materialet som er egnet for utfelling av et fast belegg 18 kan være en kjernedel 10 dannet av siliciumdioksyd og et utfelt belegg 18 dannet av et forenlig mykere glass med en lavere refraksjonsindeks. En slik kjernedel kan også ha et barrierelag som påføres på den ytre flate med kombinasjonen omfattende startkjernedelen 10. Påføringen av barrierelag og fordelene ved dette er beskrevet nærmere nedenfor.

Det skal forstås at flere brennere 14 kan plasseres rundt og/eller langs lengdeaksen til kjernedelen 10 på en slik måte at det tillates en i det vesentlige jevn radiell utfelling av partikler fra brenneren ved endeflaten av belegget 18. Slike brennere kan innbefatte ribbebrennere, ringbrennere eller lignende. Det skal forstås at endeflaten 20 vil bli kontinuerlig nydannet ved utfellingen av det partikkelformede materiale. Brennerne 14 vil være plassert og rettet slik at det oppnås den mest effektive utfelling av partikler på endeflaten 20. Da brennerne 14 av praktiske grunner vil være stasjonære med hensyn til en langsgående forflytning, blir startdelen 12 med kjernedelen 10 ført langs den langsgående akse i den retning som er antydet med pilen 22 ved en hastighet som svarer til graden av oppbygging av partikkelformet materiale på endeflaten 20, slik at endeflaten 20 står i en relativt fast stilling i forhold til brennerne 14.

Det skal forstås at en enkelt brenner 14 kan benyttes eller flere brennere 14 kan benyttes, noe som kan eller ikke kan danne et i det vesentlige kontinuerlig radielt lag av partikkelformet materiale på endeflaten 20. I sistnevnte tilfelle må startdelen 20 i tillegg dreies, som antydet med pilen 24, for å lette'en mer jevn utfelling av partikkelformet materiale på endeflaten 20. Oppfinnelsen omfatter således også en rotasjon av brennere rundt endeflaten 20 eller benyttelsen av en ringbrenner. Dette kan benyttes i tillegg til en rotasjon av startdelen 12 istedet eller en kombinasjon av disse muligheter. I tillegg kan, hvis ønsket, en hjelpevarmebrenner 25 benyttes for å lette sintringen av sotpartiklene som utfelles av utfellingsbrenneren eller brennerne.14.

På fig. 3 er det vist en mer fullstendig skisse av den totale metode i henhold til en utførelse av oppfinnelsen. Kjernedelen 10 tilføres fra rullen 26 på en i det vesentlig kontinuerlig måte langs en langsgående akse som er i det vesentlige sammenfallende med eller parallell til den langsgående akse for startdelen 12. Det skal forstås at foreliggende oppfinnelse også omfatter en utførelse med butt forsegling eller sveising av relativt korte lengder av kjernedelen 10 istedet for å ha den spolet opp på rullen 26. Ved en slik utførelse vil en sammensatt kjernedel 10 på samme måte være i det vesentlige kontinuerlig. Det skal bemerkes at selv om det benyttes en rull 26 kan kjernedelen eller etterfølgende ruller også buttforsegles eller sveises til enden på forutgående deler når de er fullt utrullet, slik at man arbeider i det vesentlige kontinuerlig.

En eller flere brennere 14 påfører eller utfeller partikkelformet materiale på den ytre flate til kjernedelen 10 og danner et fastsittende og relativt porøst belegg 18 på den ytre flate av kjernedelen 10. Som nevnte ovenfor blir startdelen 24 forflyttet i den retning som er antydet med pilen 22 og kan i tillegg dreies, som vist med pilen 24, for å tillate en i det vesentlige jevn utfelling av partikkelformet materiale på endeflaten 20. Når det fastsittende belegg blir ført videre i lengderetning, blir det oppvarmet ved et etter-følgende punkt av oppvarmingsinnretninger 28, ved hvilket punkt det fastsittende belegg 18 sintres eller konsolideres og danner en fast preform eller et emne 30 som omfatter kjernedelen 10 og en konsolidert kledningsdel 32.

Som et videre trekk ved den i det vesentlige kontinuerlige metode for dannelse av en optisk bølgeleder 34, kan den faste preform 30 deretter oppvarmes langs sin langsgående bane av oppvarmingsinnretninger 3 6 hvor temperaturen for den sammensetning som tidligere er formet heves til trekktempera-tur for materialene og trekkes til en optisk bølgeleder eller filament 34 på en måte som er velkjent på fagområdet. Det skal forstås at ved en slik kontinuerlig metode vil fremfør-ingshastigheten for startdelen 12 være av en størrelse som er tilstrekkelig til å tillate en jevn utfelling av partikkelformet materiale på endeflaten 20 opp til trekkpunktet for den faste preform til en optisk bølgeleder eller filament og deretter økes til en hastighet som tillater trekkingen av bølge-lderen 34. Det skal forstås at når den faste preform 30 trekkes til et filament 34 vil lengden av denne bli vesentlig øket og dette tilpasses økning av den langsgående hastighet for startdelen 12. Apparatet for styring av fremføringen og/eller rotasjonshastigheten for startdelen 12 er ikke vist og er av kjent type, som f. eks. en variabel hastighetsmotor med eller uten clutch. En typisk rotasjonshastighet kan være 30 omdreininger pr. minutt. Rotasjonshastigheten kan imidlertid bestemmes av det materiale som utfelles, utfellingshastigheten såvel som andre parametre for hvert enkelt tilfelle. Videre er det som anført ovenfor ikke nødvendig at startdelen 12 roteres, men brennerne kan ogsa roteres elier det Kan oenyttes en ringoren-ner eller en kombinasjon av slike deler.

Det skal også forstås at når filamenttrekkingen på-begynnes vil en rotasjon av belegget 18 og/eller den faste preform 30 være vanskelig, hvis ikke umulig, ved rotasjon av startdelen 12, da det myknede glass ved trekketemperaturen ganske enkelt vil skjæres av på seg selv uten å overføre dreie-moment til preformen 30 eller en annen del av konstruksjonen under seg. I tillegg vil den del av konstruksjonen som er under trekkeområdet trenge en fysisk understøttelse. Dette er også realiteten hvis det trukne filament selv blir rullet opp, skåret av ved en ønsket lengde eller hvis den faste preform avskjæres for etterfølgende trekking som beskrevet her. Inn-retningene 37 og 39 omfatter f. eks. et antall ruller som om-gir den faste preform 3 0 og belegget 18 respektivt og anordnet slik at det understøtter, roterer og aksielt beveger konstruksjonen. Slike understøttelsesrullanordninger er velkjente på fagområdet. Det skal bemerkes at det ikke behøver å være nød-vendig å benytte begge innretninger 37 og 39 til det angitte formål og at en enkel innretning kan gi de ønskede resultater. Hvis ønsket kan rullen 26 også dreies ikke bare om sin egen senterakse for å vikle av kjernedelen 10, men kan roteres om lengdeaksen til belegget 18 og den faste preform 30 for å tillate en rotasjon av hele konstruksjonen når belegget 18 påføres. De ovenfor beskrevne rotasoner kan benyttes i forbindelse med brennerrotasjonen, istedet for en slik eller i kombinasjon med en slik.

For ekstra informasjon angående anvendelsen av partikkelformet materiale, konsolidering og trekking vises til U.S. patentene nr. 3659915, 3711262, 3737292, 3775075, 3806570, 3859073 og 3884550.

En annen utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 4, hvor trinnene med konsolidering og trekking er kombinert. Ved denne utførelse påføres partikkelformet materiale av brennere 14 på endeflaten 20 til det fastsittende belegg 18 på kjernedelen 10, som beskrevet ovenfor. Oppvarmingsinnretninger 38 oppvarmer sammensetningen som således er dannet for å konsolidere det porøse belegg 18 til en fast preform 30 og trekking av preformen 3 0 til en optisk bølgeleder eller et filament 34

i et i det vesentlige kontinuerlig trinn, som krever bare ett

oppvarmingstrinn. Det betyr at oppvarmingsinnretningen 38 oppvarmer det porøse fastsittende belegg 18 til en temperatur som er tilstrekkelig til å konsolidere belegget og å tillate trekking av den faste preform til en fiber. Alle de andre parametre som er beskrevet foran i forbindelse med fremgangsmåten kan

forbli i det vesentlige de samme innbefattende totasjonen av preformen, benyttelsen av en ringbrenner og lignende. En innretning 4 0 for understøttelse, rotasjon og videreføring av konstruksjonen som således er dannet kan også være anordnet og kan være en innretning såsom 37 og 3 9 beskrevet i forbindelse med fig. 3.

Ved hver av de beskrevne utførelser kan kjernedelen 10 omfatte bare den del av det endelige bølgelederfilament som generelt omtales som kjernen eller kan være kjernen med et barrierelag påført på den ytre flate. Barrierelaget som noen ganger omtales som en påført kledning er et belegg av materiale mellom kjernen og den ytre kledning og tjener til forskjellige formål. F. eks. kan barrierelaget tjene som en barriere mot diffusjon av hydrogenioner eller urenheter fra den ytre kledning til kjernen. Hvis den er øyeblikkelig påført kjerne-flaten, kan den gi en bedre grenseflate mellom kjernen og kledningen. I tillegg kan den forbedre håndteringen av kjernedelen 10 ved oppstartingen og den derpå følgende forsegling til ekstra kjernedeler i en kontinuerlig prosess. Funksjonsmessig vil imidlertid barrierelaget omfatte den indre dél av kledningen, hvis sted er grensen for en høy del av lyset som forplantes gjennom bølgelederen, idet meget lite lys blir forplantet

gjennom den ytre kledning ved en effektiv optisk bølgeleder.

I denne forbindelse vises det til Kapanys publikasjon og U.S. patent nr. 3711262, som er omtalt foran. I den situasjon hvor et barrierelag benyttes behøver den ytre kledning som påføres i form av belegget 18 ikke å være av så høy optisk kvalitet som det ellers ville vært nødvendig, da bare en liten del, hvis i det hele tatt noen del, av lyset som forplantes vil bli forplantet i den ytre kledning. Barrierelaget kan utformes ved en hvilken som helst egnet prosess, som f. eks. en dampfaseoksydasjon eller lignende.

Det skal også bemerkes at i de utførelser hvor de konsoliderte emner eller preformer ikke kontinuerlig trekkes til bølgelederfilamenter kan emnet eller preformen bli skåret eller oppdelt ved forutbestemte ønskede lengder for etterfølg-ende trekking. På tilsvarende måte kan når emnet eller preformen trekkes kontinuerlig til et filament, filamentet kuttes eller oppdeles i forutbestemte lengder uten avbrytelse av den kontinuerlige dannelse av preformen.

Et spesielt eksempel på en i det vesentlige kontinuerlig fremgangsmåte for dannelse av optiske bølgelederemner er følgende: En kjernedel med høy optisk kvalitet blir først pre-parert i et adskilt trinn og innført i prosessen som et fast tykt glassfilament med en diameter på ca. 1,5 mm. Denne kjernedel kan prepareres f. eks. ved en standard damputfellingsprosess som angitt ovenfor, ved utfelling av en enkel sotpre-formsammensetning, såsom 2 vektprosent GeC^ med den gjenbliv-ende del i form av SiC^ glass, hvoretter det foretas en sone-konsolidering av delen med klortørking, som beskrevet i U.S. patent nr. 39334 54, hvoretter det foretas en trekking til et

■fast filament med godt kontrollerte'dimensjoner. Variasjoner i en slik utvendig dampfaseoksydasjonsprosess, såsom anvendelsen av.enhetlige utgangselementer eller startdeler eller aksi-ell utfelling, kan også benyttes for å tilveiebringe den faste startkjernedel. Kjernedelen blir så viklet på en trommel og

viklet av i den grad det er nødvendig for prosessen. Andre prosesser, såsom ved anvendelsen av smfelter med høy renhet etc. i kan også benyttes for å oppnå kjernedelen.

Et spesielt eksempel på dannelsen av et optisk bølgelederemne ifølge oppfinnelsen er følgende: En 1,5 mm stav eller kjernedel ble festet ved smelting til en startdel med en diameter på 2 cm og med i det vesentlige flat ende. jKjernedelen hadde en sammensetning på ca. 2 vektprosent GeC^ hvor balansen var Si02- Startdelen ble dannet av et 2 cm siliciumdioksydrør (96 % - "Vycor") og ved den nedre ende for-seglet. En planflatet brenner ble plassert med brennerflaten 1 en vinkel på ca. '30° i forhold til lengdeaksen til kjernedelen og en avstand på ca. 13 cm til utfellingsflaten. Brenneren ble utstyrt med en "Vycor"-avskjerming som omga flammen og hadde en ytre diameter på 5 cm og som var 9 cm lang. Startdelen ble festet til et apparat som kunne roteres og utføre en fremføring i lengderetningen. Rotasjonen ble tilveiebragt med en motor med variabel hastighet med en clutch, mens fremførin-gen ble gjennomført med en utkoblbar skrumekanisme.

Brennerflammen besto av naturgass som strømmet med 5,7 liter pr. minutt og oksygen strømmet med 4 liter pr. minutt. Oksygen ble tilført til den indre skjerm med 1,2 liter pr. minutt og til den ytre skjerm med 3 liter pr. minutt. Det forbiførte eller overskudd av oksygen ble: tilført med 0,14 liter pr. minutt. Reaktanten ble tilført til utfellingsbrenneren ved hjelp av et kjent tilførselssystem med 2,2 liter pr. minutt ved å boble oksygen gjennom et SiCl^-bad som ble holdt ved ca. 35°C i tilførselssystemet.

Startdelen ble rotert med ca. 15 omdreininger pr.

i minutt, og Si02~sotpartikler ble utfelt på dette i ca. 10 mi-nutter for å danne et startbelegg på kjernedelen. Deretter ble den langsgående fremføring av startdelen påbegynt med en hastighet på 20 cm pr. time, mens utfellingen av Si02~sotpar-tikler ble fortsatt i ca. en time til. Hjelpevarme ble til-ført ved preformen som ble dannet ved et punkt nedstrøms for utfellingsbrenneren ved hjelp av en hjelpebrenner som er kjent som- "fiskehalebrenner nr. 1253" (fra Carlisle Burner Co., Millville, N.J.). Hjelpebrennerflammen besto av naturgass

som ble tilført med 3,4 liter pr. minutt og oksygen som ble tilført med 2,9 liter pr. minutt. Brennerflaten ble plassert ca. 4 cm fra preformen på den måte som er vist med brenneren 2 5 på fig. 2.

Ved dette eksempel ble prosessen avbrutt etter ca. en time, hvoretter en preform med ca. 20 cm lengde og 3,5 cm , i diameter ble tildannet. Det skal forstås at den ovenfor om-talte prosess kunne ha vært fortsatt i ubestemt tid hvis dette var ønsket. Det ovenfor beskrevne apparat hadde ikke en til-hørende konsolideringsovn, slik at emnet som ble dannet ble fjernet og plassert i en konsolideringsovn med en heliumatmos-fære. Den porøse preform ble konsolidert til en fast preform ved soneoppfyring ved 1450°C, mens den ble fremført med en hastighet på ca. 2 0 cm pr. time. Den resulterende faste preform eller emnet hadde et omtrentlig forhold mellom ytre diameter og kjernediameter på 10 : 1.

Det er åpenbart at på grunn av størrelsen og formen til endeflaten på startdelen sammen med vinkelen til brenneren vil den første oppbygging av et fastsittende belegg være relativt lite for en gitt tidslengde og øket når det fastsittende belegg blir bygget opp. Preformen som ble dannet i samsvar med dette eksempel ble ikke trukket til et filament, Filament-trekking er imidlertid velkjent for fagmannen.

Et annet eksempel på en i det vesentlige kontinuerlig metode for dannelsen av en optisk bølgeleder i samsvar med foreliggende oppfinnelse er følgende: Kledningsglasspartiklene kan utfelles ved dampfaseoksydasjonsprosessen, smm beskrevet foran, og samtidig fastgjort eller stivnet hvis temperaturen som kreves for samtidig utfelling og konsolidering ikke defor-merer kjernedeln og hvis materialene til kjernedelen og det påførte belegg er forenlig med hensyn til termisk ekspansjon, refraksjonsindeks, fluiditet og lignende. Et eksempel på glasstyper som kan gi dette resultat er følgende: Kjernedelen kan være en sammensetning med ca. 16 vektprosent Ta20^, hvor balansen utgjøres av Si02- En slik sammensetning har en refraksjonsindeks på ca. 1,490, en flytetemperatur på ca. 1600°C og en termisk ekspansjonskoeffisient på ca. 6 x 10 ^/°C. Kledningen kan være en sammensetning med ca. 14 vektprosent B2^3' ca. 26 vektprosent & 2®5 °^ hvor balansen på ca. 60 vektprosent er Si02» Denne sammensetning hadde en refraksjonsindeks på ca. 1,486, en flytetemperatur på ca. 950 C og en term- ■ isk ekspansjonskoeffisient på ca. 45 x 10 ^/°C.

De optiske bølgeledere som ble fremstilt i samsvar med oppfinnelsen med den i det vesentlige kontinuerlige metode for dannelsen av et optisk bølgelederemne og den resulterende optiske bølgeleder er særlig hensiktsmessige og beregnet på forplantning av energi på bare en eller få moduser. Foreliggende metode er særlig egnet for dannelsen av bølgeledere med et totalt forhold mellom bølgelederdiameter og kjernediameter på ca. 10 : 1 og kan resultere i dannelsen av en grenseflate med utmerket kvalitet mellom bølgelederkjernen og kledningen og en bølgeleder med meget lav dempning.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte som anvender en i lengderetningen fremført startdel for hovedsakelig kontinuerlig dannelse av et optisk bølgelederemne (30) for fremstilling av en optisk bølgeleder (34) som er spesielt tilpasset for å lede en eller noen modi, idet den optiske bølgelederen innbefatter en kjernedel og et dertil adhererende belegg dannet av partikkelformet materiale (16) og med en brytningsindeks mindre enn den til kjernedelen, karakterisert ved at en ende av det i lengderetningen kontinuerlige kjernedelemnet (10) av en forutbestemt diameter festes til en endeoverflate av startdelen (12) og at kjernedelemnet og startdelen fremføres i lengderetningen, mens det samtidig tilføres et adhererende belegg (13) av nevnte partikkel formede materiale til kjernedelemnet for å danne kontinuerlig og hovedsakelig homogent belegg av jevn tykkelse på emnet.
2. 2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det partikkel formede materialet (16) påføres og konsolideres til et faststoffbølgelederemne (30) i et hovedsakelig kontinuerlig trinn.
3. 3 . Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det partikkelformede materialet (16) oppvarmes for sintring eller konsolidering.
4. 4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at startdelen (12) og kjernedelemnet (10) roteres om deres respektive akser, mens de samtidig fremføres i lengderetningen.
5. 5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at det partikkelformede materialet (16) påføres med minst en planflatet brenner eller ringbrenner (14).
6. 6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at brenneren (14) dreies om lengdeaksen for startdelen (12) og kjernedelen (10).
7. 7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 6,karakterisert ved at endeoverflaten til den i lengderetningen fremførte startdel (12) gjøres flat eller konkav.
8. 8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved at en forutbestemt ønsket lengde av bølgelederemnet (30) fradeles.
9. 9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at kjernedelen (10) mates fra en rull (26) på en i hovedsaken kontinuerlig måte.
10. 10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at som kjernedel (10) anvendes en med et barrierelag på dens ytre overfla-te.
11. 11. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3-10, karakterisert ved at det adhererende belegget (18) oppvarmes for å danne faststoffbølgelederemnet (30), idet emnet oppvarmes ytterligere til dets trekke-temperatur og trekkes til en hovedsakelig kontinuerlig optisk bølgeleder (34), idet kjernedelen (10) innbefatter kjernen, mens det konsoliderte belegget innbefatter den optiske kappen til den optiske bølgelederen.
12. 12. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 3-10, karakterisert ved at partikkelformet materiale (16) oppvarmes ved et enkelt oppvarmingstrinn til en temperatur for å danne et konsolidert emne (30) som trekkes ved nevnte temperatur uten ytterligere oppvarming til en optisk bølgeleder (34).