DE2313203A1 - Lichtfokussierende optische faser - Google Patents

Lichtfokussierende optische faser

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DE2313203A1 DE2313203A DE2313203A DE2313203A1 DE 2313203 A1 DE2313203 A1 DE 2313203A1 DE 2313203 A DE2313203 A DE 2313203A DE 2313203 A DE2313203 A DE 2313203A DE 2313203 A1 DE2313203 A1 DE 2313203A1
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Description

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning, N. Y., USA
Lichtfokussierende optische Faser
Die Erfindung "betrifft lichtfokussierende optische Fasern, die ganz besonders als Wellenleiter geeignet sind, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Für bestimmte optische Anwendungszwecke, z. B. zur Verwendung als Wellenleiter und dergleichen, werden zylindrische Glaskörper oder Fasern "benötigt, deren Brechungsindex in radialer Richtung verschieden ist. Hierzu muss die Zusammensetzung in Längsrichtung gleich, in radialer Richtung aber verschieden sein. Der Durchmesser ist dabei so gross, dass ein sich in Wellenform um die Längsachse fortpflanzender Lichtstrahl nicht auf die Grenzfläche von Glas und Umgebung auftrifft.
309842/0795
Von der Nippon Selfoc Company wurde bereits versucht, lichtfokussierende Fasern durch eine. Ionenaustauschbehandlung . herzustellen. Infolge starker Verunreinigungen ist die Dämpfung aber zu stark. Auch ist die genaue Einstellung der Ionenaustauschtiefe nicht möglich, so dass sich ein genaues Gefälle der Zusammensetzung und des Brechungsindex nicht erzielen lässt.
Die Erfindung hat optische Pasern mit radial unterschiedlichem Brechungsindex zur Aufgabe, die sich durch niedrige Verunreinigungen und Gäseinschlüsse und geringe Dämpfung der Lichtfortpflanzung auszeichnen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf einem langgestreckten Grundkörper mehrere Schichten mit jeweils verschiedener Zusammensetzung aufgebracht werden, der Schichtkörper auf die Ausziehtemperatur erhitzt und zu einem Gegenstand mit schichtweise radial abgestufter unterschiedlicher Zusammensetzung ausgezogen wird.
Zur Theorie und Anwendung optischer Wellenleiter kann auf die folgende Literatur hingewiesen werden: "Solutions of Two Optical Problems" von A. Fletcher, T. Murphy und A. Young, Proc. Roay, Soc. (London), Bd. 223, S. 216-225, 1954-j "Geometrical Optics of Parabolic Index-Gradient
- 3 309842/0795
Cylindrical Lenses" von F. P. Kapron, Journal of the Optical Society of America, Bd. 60, No. 11, S. 1433-14-36, November 1970; U. S. Patent No. 3,157,726; "Cylindrical Dielectric Waveguide Mode" von E. Snitzer, Journal of the Optical Society of America, Bd. 51, No. 5, S. 491-4-98, Mai 1961; und "Fiber Optics Principles and Applications" von N. S. Kapany, Academic Press, 1967.
Anhand der Zeichnungen aei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
die Figur 1 schematisch eine Anordnung zum Aufbringen dünner Rußschichten auf einen Grundkörper;
die Figur 2 schematisch die Anordnung der Figur 1 nach Aufbringung mehrerer dünner Rußschichten;
die Figur 3 i^ Längsschnitt die Ausbohrung des Grundkörpers;
die Figur 4 üa Querschnitt einen auf der Innenseite beschichteten Grundkörper;
die Figur 5 schematisch und teilweise im Längsschnitt das Ausziehen einer optischen Faser;
- 4 309842/0 795
die Figur 6 die Faser im Schnitt entlang der Schnittlinie 5-5 der Figur 5;
die Figuren 7 t^nd 8 teils schematisch und teils als Schaubild die abgesetzt radial unterschiedliche Zusammensetzung einer erfindungsgemäss hergestellten optischen Faser (Fig. 7) bzw. eines Wellenleiters (Fig. 8);
die Figur 9 schematisch die Brennweite eines erfindungsgemäss hergestellten Wellenleiters.
Die Aufbringung der Schichten kann auf verschiedene Weise erfolgen, besonders günstig z. B. durch Flammhydrolyse.
Wie die Figur 1 zeigt, wird durch einen Flammhydrolysebrenner 14 eine von mehreren Glasschichten 10 auf einen z. B. zylindrischen Grundkörper 12 aufgebracht. Gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff oder Luft werden von einer nicht gezeigten Quelle durch ein Rohr in den Brenner- 14 geleitet und erzeugen dort die Flamme 16.
Für das aufzubringende Material enthalten z. B. Behälter Flüssigkeiten, die mit einem geeigneten Gas durchperlt werden. Die Zufuhr erfolgt in bestimmten Mengen und Drücken. Beim
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Durchperlen werden "verdampfte Teile der Flüssigkeit vom Gas mitgenommen und mit dem Gas "vermischt. Die Mischung wird in der Flamme 16 zu Euss hydrolisiert, dessen Strom auf den Grundkörper 12 gerichtet und auf dem rotierenden und in Längsrichtung verschobenen Körper zu einer gleichmässigen Schicht niedergeschlagen wird. Die Verschiebung ist nicht nötig-, wenn mehrere Brenner 14 in einer Reihe oder radialem Abstand vorgesehen werden.
Soll der Russ mehr als zwei Komponenten enthalten, so werden entsprechend viele Flüssigkeitsbehälter vorgesehen, von denen einer oder mehrere auch ein Flüssigkeitsgemisch enthalten können.
Durch Temperaturregelung der flüssigen Komponenten mit bekannten Dampfdrücken sowie Regelung des Durchsatzes und Drucks der Trägergase lassen sich genaue Dampfmengen für die Mitnahme und Hydrolisierung einstellen. Auf diese Weise kann die Russzusammensetzung mit der gewünschten radialen Änderung des Niederschlags von Schicht zu Schicht genau eingestellt werden.
Da die Lichtabsorption der Schichten möglichst gering san soll, kommt als Material Glas optischer Qualität in Frage, Besonders günstig ist Schmelzkieselsäure, die zur Erzielung eines radial unterschiedlichen Brechungsindex mit einer den Index
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beeinflussenden radial unterschiedlichen Materialmenge dotiert wird. Hierzu sind zahlreiche Stoffe geeignet. Nur als Beispiel seien genannt die Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium, Bor. Der Zusatz wird zweckmässig mir in der zur entsprechenden Einstellung des Brechungsindex gerade ausreichenden Dotiermenge beigesetzt, schon weil ein Übermass ja die Lichtdurchlässigkeit beeinträchtigt. Bei Herstellung von Wellenleitern bleibt die maximal zugesetzte Dotiermenge vorzugsweise unter etwa 25 Gew.% der Gesamtzusammensetzung an der jeweiligen Stelle.
Die Gesamtdicke der einzelnen Schichten bestimmt sich nach der niedergeschlagenen Russmenge, die über den Durchsatz und die Niederschlagsdauer geregelt werden kann. Durch Sintern erhält man eine dichte, gleichmässige Schicht etwas geringerer Dicke. Bei ausreichender Temperatur wird der Euss beim Niederschlagen gleich gesintert, andernfalls wird die Sinterung anschliessend durchgeführt.
Wie die Figur 3 zeigt, kann der Grundkörper 12 mit einem Diamantbohrer 62 herausgebohrt, mit Fluorwasserstoff ausgelaugt, oder auf andere Weise entfernt werden. Er kann also von beliebiger Zusammensetzung sein und normale oder sogar übermässige Verunreinigungen oder Einschlüsse enthalten, sofern es nach Zusammensetzung und Wärmedehnung mit der Schicht
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10 vereinbar ist; geeignet ist also z. B. auch Graphit. Möglich ist aber auch die Verwendung eines Hohlkörpers als Grundkörper, auf dessen Oberfläche die Schichten aufgebracht werden«
Nach weiterer Ausgestaltung werden die Schichten verschiedener Zusammensetzung anstatt auf die Aüssenfläche des Grundkörpers auf die Innenfläche des in der Figur 4 gezeigten hohlzylindrischen Grundkörpers 24 aufgebracht, der z. B. durch Ausbohren eines festen Glasstabs, Polieren und Waschen mit Flußsäure hergestellt wird. Für seine Zusammensetzung und Zulässigkeit von Verunreinigungen und Einschlüssen gilt das oben für den Grundkörper Ausgeführte. Auf die geglättete und gereinigte Innenfläche werden dann die Schichten 26 verschiedener Zusammensetzung aufgetragen.
Anstatt vermittels der beschriebenen Flammhydrolyse können eine, mehrere oder alle Schichten in anderer, an sich bekannter Weise aufgetragen werden, z. B. durch Radiofrequenzsputtern, chemische Dampf nieder schlagung, Aufbringen und Sintern einer Glasfritte, Aufpinseln, Aufbürsten, Sprühen oder Tauchen einer Mischung von Glasbildnern, Dotiermitteln und. organischem Träger, gegebenenfalls mit zwischengeschalteter Trocknung nach Aufbringen einer jeden Schicht. Auch die Aufbringung unter Anwendung verschiedener Methoden ist möglich.
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Gegebenenfalls wird der Gegenstand z. B. zur Glasbildung und Austreibung eines organischen Trägers nach Aufbringen jeder Schicht oder mehrerer oder aller Schichten gebrannt.
Für die Herstellung eines Wellenleiters wird beim Vorgehen nach den Fig. 1, 2 die Aufbringungsfolge der Schichten gemäss der Figur 4· umgekehrt. Wird der Grundkörper nicht ausgebohrt, so verringert sich beim Ausziehen zur Faser 34 lediglich der Durchmesser, während beim Ausziehen des Hohlkörpers die Mittelbohrung verschwindet und der Körper zur Faser mit festem, durchgehenden Querschnitt wird.
Die zunächst scharf abgesetzten Zusammensetzungsunterschiede der einzelnen Schichten werden beim Erhitzen etwas gemildert, weil etwas Dotiermittel von Schicht zu Schicht diffundiert. Es ergeben sich dann die abgerundeten Übergänge der Schaubilder der Fig. 7 und 8, wobei als günstige Auswirkung sich im Einzelfall die Zahl der für eine radial unterschiedliche Zusammensetzung benötigten Schichten sogar verringern kann. Im übrigen ändert die Verkleinerung des Durchmessers beim Ausziehen nicht die Kurve des unterschiedlichen Brechungsindex, d. h. Kurven 38 (Fig. 7) und 40 (Fig. 8) sind im wesentlichen gleich.
- 9 309842/079S
Als Beispiel sei ein Gegenstand mit einer radial verschiedenen Zusammensetzung zwecks Verwendung als lichtfokussierende Wellenleiterfaser herzustellen. Die kennzeichnenden Parameter dieser Faser können durch die Gleichung definiert werden
ffr
nr = no sech ^- ■ ,
in der nr den Brechungsindex an einem Punkt in dem Körper mit dem Radius r, η den Brechungsindex im Mittelpunkt und F die Brennweite bezeichnet. Der Brechungsindex innerhalb eines Kreiszylinders ist eine Funktion nur des. Radius an diesem Punkt. Die auf den Zylinder fallenden und parallel zu seiner Längsachse wandernden Lichtstrahlen werden in einer Längsentfernung entlang dem Zylinder gleich seiner Brennweite gebündelt. Das folgende Beispiel erläutert die Errechnung und Koordinierung der Werte der obigen Gleichung.
Es soll eine lichtfokussierende Wellenleiterfaser aus dotierter Schmelzkieselsäure hergestellt werden, mit einem Durchmesser von 5 mil, einem Brechungsindex am Mittelpunkt η von annähernd 1,4662, einem Brechungsindex η an der Peripherie des Wellenleiters von 1,4584 (der Brechungsindex von reiner Schmelzkieselsäure für Natriumlicht der Wellenlänge 5895 S. wird allgemein mit 1,4584 angenommen). Es beträgt nach der obigen Gleichung die Brennweite F einer solchen lichtfokussie-
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renden Wellenleiterfaser 2,75 mnu Dies ist auch durch die Figur 8 erläutert, in der eine lichtfokussierende Wellenleiterfaser 34 eine radial abgestufte unterschiedliche Zusammensetzung und damit einen, der abgestuften Kurve 40 entsprechenden radial abgestuften verschiedenen Brechungsindex hat.' Dieser ändert sich im wesentlichen gemäss der Formel
fi"r
sech -ryg . Die Brennweite P des Wellenleiters 34 ist in der Figur 9 gezeigt.
Wie oben erläutert, besteht die Faser erfindungsgemäss aus mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlicher Zusammensetzung. Bei der z. B. zum Sintern und Ausziehen erforderlichen Erhitzung diffundiert das Dotiermittel von einer zur jeweils folgenden Schicht. Infolgedessen wird die abgestufte Kennlinie der radial unterschiedlichen Zusammensetzung geglättet, d. h. die Stufen der Zusammensetzungskurve sind in-, folge der Dotiermitteldiffusion abgerundet, wie dies auch aus den Figuren 7 und 8 hervorgeht. Die Diffusion kann auch die Anzahl der für eine gewünschte radial unterschiedliche Zusammensetzung erforderliche Zahl der Stufen oder Schichten verringern.
Obwohl die Körper 28 und 30 wesentlich grössere Durchmesser als die Faser 34 und eine dieser fehlende Zentralbohrung 36
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haben, so ist dennoch der radial verschiedene Brechungsindex für beide, d. h. sowohl für die Körper 28 -und 50 wie auch für die Faser 54-, im wesentlichen der Gleiche. Infolgedessen sind die Kurven 58 "und 40 der Figuren 7 und 8 einander im wesentlichen gleich, nur dass der Scheitelpunkt der Kurve 38 an den "beiden Kanten der Mittelbohrung 56 liegt. Wie zuvor erwähnt, fällt diese Bohrung "beim Ausziehen zusammen, so dass der Brechungsindex der Peripherie der Brechungsindex im Mittelpunkt der endgültigen Faser wird.
Der weiteren Erläuterung ohne Beschränkung diene das folgende weitere Beispiel.
Ein Grundkörper aus Schmelzquarz mit einem Durchmesser von 1/8 Inch und einer Länge von 10 Inch wird an einem geeigneten Handgriff befestigt. Flüssiges SiOl2^ wird in einem ersten Behälter auf einer Temperatur von 20°C und flüssiges TiCl^ in einem zweiten Behälter auf einer Temperatur von 88° gehalten. Der Dampfdruck der beiden Flüssigkeiten bei diesen Temperaturen beträgt 190 mm Hg. Trockener Sauerstoff wird durch beide Flüssigkeiten geperlt, und zwar durch das SiCl2, mit einem Durchsatz von 5000 ccm/Min. und durch das TiGl^ mit 118 ccm/Min. Hierbei werden die Dämpfe beider Flüssigkeiten vom Sauerstoff aufgenommen und mitgeführt, und zwar im Verhältnis zum Sauerstoff von 2,3 Mo 1% TiCl^ und 97,7 Mo 1% SiOl^. Bei
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der Hydrolyse in der Flamme eines Brenners entsteht Euss der Zusammensetzung 3 Gew.% TiOp und 97 Gew.% SiOp, mit einem Brechungsindex von 1,4662 für Licht der Wellenlänge 5893 $· Dieser Euss wird als Schicht einer Dicke von 0,0175 Inch auf einen rotierenden und seitlich verschobenen Grundkörper aufgebracht. Fach Aufbringung der ersten Eußschicht wird der Sauerstoff strom durch das flüssige TiCl^. auf etwa 117,7 ccm/Min. verringert, und eine zweite Schicht mit geringerem TiOp Gehalt wird niedergeschlagen. Nach Aufbringung einer geden Schicht wird der Sauerstoffstrom durch das flüssige TiOp stufenweise verringert, so dass mehrere Schichten mit stufenweise abnehmendem TiOp Gehalt und daher auch abnehmendem Brechungsindex niedergeschlagen werden, bis die äusserste Schicht aus reinem SiO £ besteht. Jede stufenweise Verringerung des Sauerstoffdurchsatzes wird im Hinblick auf die gewünschte radial stufenweise unterschiedliche Zusammensetzung eingestellt. Die Herstellungsdauer eines 8 Inch langen Körpers mit 2 Inch Durchmesser beträgt in diesem Falle etwa 1.1/2 Stunden. Anschliessend werden die Schichten in einem eine Sauerstoffatmosphäre enthaltenden, etwa 15OO heissen Induktionsofen gesintert. Der Grundkörper aus Schmelzquarz wird entweder vor oder nach dem Sintern mit einem Diamantbohrer herausgebohrt. Der rohrförmige Körper wird dann in 50%iger JFlußsäure gewaschen und damit gereinigt. Der Aussendurchmesser des Körpers wird nach dem Sintern 1.3/4 Inch betragen. Er wird dann in
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einen Induktionsofen gebracht, erhitzt und in Sauerstoff bei 2000° gezogen. Dabei verringert sich der Durchmesser und die Mittelbohrung fällt zusammen. Er wird weiter gezogen, bis die gewünschte Abmessung des Durchmessers des Wellenleiters erreicht ist. Bei einem typischen Aussendurchmesser eines Wellenleiters von 5 mil beträgt die Brennweite etwa 2,75
Das Verhältnis zwischen der Zusammensetzungsänderung und der Änderung des Brechungsindex ist in der Regel wie auch im vorigen Beispiel im wesentlichen linear. Das Verhältnis kann aber auch ein anderes sein, was zumindest zum Teil von dem verwendeten Material abhängen wird.
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Claims (12)

Pat ent anspräche
1. Verfahren, zum Herstellen von Gegenständen mit einer in radialer Richtung unterschiedlichen Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem langgestreckten Grundkörper mehrere Schichten mit jeweils verschiedener Zusammensetzung aufgebracht werden, der Schichtkörper auf die Ausziehtemperatur erhitzt und zu einem Gegenstand mit schichtweise radial abgestufter unterschiedlicher Zusammensetzung ausgezogen wird.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Gegenstand durchsichtig ist und die unterschiedliche Zu-
Tfτ sammensetzung einen gemäss der Gleichung η = η sech W in radialer Richtung unterschiedlichen Brechungsindex ergibt, worin η bzw. η der Brechungsindex im Mittelpunkt bzw. an einem beliebigen Punkt im Abstand r vom Mittelpunkt des Gegenstands und F die Brennweite des Gegenstands bezeichnet.
3. Verfahren, gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper entfernt und der Hohlkörper zu einer festen Faser ausgezogen wird.
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4·. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper herausgebohrt, die Bohrfläche mechanisch vorpoliert und mit der Flamme nachpoliert wird.
5. Verfahren gemäss Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrflächen nach jeder Politur mit Fluorwasserstoff gewaschen werden.
6. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schichten durch Radiofrequenzsputtern, durch chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, oder durch Aufbringen einer Glasfritte und Sintern derselben hergestellt wird.
7· Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schichten in der Weise aufgebracht wird, dass auf den um seine Längsachse rotierten Grundkörper das russförmige Hydrolisxerungsprodukt in einer Flamme von Dämpfen mit bestimmten Komponentenmengen der Zusammensetzung in einem Trägergas niedergeschlagen wird.
8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der niedergeschlagene Russ gesintert wird.
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9. Verfahren gemäss Anspruch. 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Buss aus Schmelzkieselsäure, dotiert mit wenigstens einem der Oxide von Titan, Tantal, Zinn, Niobium, Zirkon, Aluminium, Lanthan, Germanium oder Bor besteht.
10. Verfahren gemäss Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet, dass der Buss mit nicht mehr als 25 Gew.% Titanoxid am Mittelpunkt dotiert ist.
11. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während· eines einheitlichen Erhitzungsvorgangs gesintert und gezogen wird.
12. Verfahren gemäss Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in einer im wesentlichen aus Sauerstoff bestehenden Atmosphäre gezogen wird.
13· Verfahren gemäss irgend einem der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung auf die Innen- oder Aussenfläche eines Eohlzylinders aufgebracht werden.
(]A>/Lichtfokussierende optische Faser zur Verwendung als Wellenleiter und dergleichen, gekennzeichnet durch mehrere radial gestufte Schichten mit verschiedene Brechungsindeces ergebender unterschiedlichen Zusammensetzung.
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