NO800766L - Fremgangsmaate til fremstilling av en boelgeleder eller et boelgelederemne. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører optiske bølgeledere og spesi-

elt en fremgangsmåte for fremstilling av optiske bølgeledere eller optiske bølgelederemner eller, preformer av smeltet glass.

Optiske bølgelederfilamenter med stor båndbredde fremstilles, vanligvis ved metoder som omfatter kjemisk damp-avsetning av glassformede bølgelederkomponenter for dannelsen av rene bølgelederemner eller preformer, men det er også foreslått å fremstille slike produkter ved direkte trekking fra smeltet glass. U.S. patent nr. 3726656 beskriver således en opptrekkingsprosess for fremstilling av en glassbelagt glass-

stav som kan benyttes som et emne eller en preform for fornyet trekking til optiske bølgelederfilamenter, mens U.S. patentene nr. 3941474, 3791806 og 4032313 beskriver fremstillingen av glassbelagte glassbølgelederfilamenter med direkte nedtrekk-

ing av digler eller forråd av smeltet glass.

Direkte trekking av optiske bølgeledere av smeltet glass fremstilt ved en kjemisk dampavsetningsmetode er be-

skrevet i U.S. patent nr. 4065280, mens DE-OS 2614631 beskri-

ver fremstillingen av flerlags optiske bølgeledere ved en opptrekkingsprosess .

Trekkemetoder for smeltet glass er foreslått for fremstilling av optiske bølgeledere såvel med trinnindeks som med gradert indeks. I tilfelle av bølgeledere med trinnindeks er det bare nødvendig med to digler eller andre forråd med smeltet glass. Disse blir plassert konsentrisk, slik at et glass med relativt lav:.ref raks jon fqr bølgelederkledningslaget trekkes fra et ytre forråd og tilformes rundt et glass med relativt høy refraksjonsindeks for bølgelederkjernen, som sam-

tidig trekkes fra et indre forråd. I tilfelle av en bølgele-der med gradert indeks benyttes flere digler eller forråd av smeltet glass med glasset i det ytre forråd dannende kledningslaget for den optiske bølgeleder og glassene i de indre forråd danner en kjernegruppe som til slutt blir kjernedelen til den optiske bølgeleder. Glassene som øker trinnvis i refraksjonsindeksen fra omkretsen av kjernegruppen til gruppens sentrum benyttes for tilnærming av den parabolske kjerneindeks-profil som er ønskelig for bølgeledere med stor båndbredde.

Refraksjonsindeksene for glassene som danner kjernen og kledningslagene ved flerdigelenheten reguleres ved bruk av tilsetningsstoffer, betegnet som dopingsmidler, som vanligvis virker slik at de øker refraksjonsindeksen for et glass i hvilket de er oppløst i en utstrekning som er proporsjonal til deres konsentrasjon i glasset (selv om dopingsmidler som reduserer r.ef raks jonsindeksen også er kjent) . Ved økede temperaturer, slik det benyttes for direkte trekking av bølgele-dere eller bølgelederemner fra smeltet glass, har disse refraksjonsindeksregulerende dopingsmidler en tendens til å diffundere eller migrere fra ett glasslag til et annet.

Et problem med dopingsmiddelmigreringen som opptrer under fremstillingen av optiske bølgelederfilamenter eller emner av smeltet glass, er migreringen som opptrer mellom kjernedelen og kledningslaget. Denne kjerne/kledningsdiffu-sjon av dopingsmiddel resulterer i diffusjons-"haler" (nærmere omtalt nedenfor), som gir lokaleøkninger i ref raks jonsindek;-sen for kledningen nær grenselinjen mellom kjerne og kledning. Disse diffusjonshaler reduserer definisjonen av grenseflaten mellom kjerné og kledning og gir en uønsket reduksjon av bånd-bredden for den optiske bølgeleder.

Ut fra ovenstående er det i samsvar med oppfinnelsen tilyeiebragt en fremgangsmåte for fremstilling av en optisk bølgeleder av glass, et bølgelederemne eller en preform av smeltet glass, hvor et kledningslag bygget opp av glass med en relativt lav refraksjonsindeks tilformes rundt en kjernedel som er sammensatt.av en eller flere glass med relativt høy refraksjonsindeks med samtidig trekking av kjernen og kledningsglassene fra adskilte forråd av smeltet glass, idet ett eller flere av glassene inneholder et refraksjonsindeksregulerende dopingsmiddel som er i stand til å migrere mellom kjernedel og kledningslag ved økede temperaturer, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at minst ett glassdiffusjonslag er anordnet mellom kledningslaget'. og kjernedelen, at minst det ene glassdif fus jons.lag til å begynne med formes av et smeltet glass med en lavere refraksjonsindeks enn glasset som former kledningslaget, men at refraksjonsindeksens størr- elseøker minst ekvivalent til den for kledningslaget i den fremstilte bølgelederstruktur.

Diffusjonslaget av smeltet glass har en refraksjons-, indeks som er under den fori-kledningen ved at det innbefatter en mindre mengde av refraksjonsindekshevende dopingsmiddel enn såvel, kledningsglasset som glassene i kjernegruppen.

TSIår dopingsmidlene i de første glasslag diffunderer under trekketrinnet, vil den til å begynne med lavere refraksjonsindeks for diffusjonslagets glass.øke. Ved innstilling ) av den første refraksjonsindeks og tykkelsen til diffusjonslaget, kan størrelsen for økningen reguleres, slik at refrak-s j onsindeksen for dif f us jonslaget i- bølgelederen som trekkes er i det vesentlige ekvivalent til den for kledningen. På denne måte blir diffusjons-"haler", slik de finnes i vanlig i fremstilte.optiske bølgeledere,.undertrykket, og en forbedret bestemmelse av grensen, dvs. grenseflaten mellom kjerne og kledning, oppnås, noe som resulterer i en større båndbredde for bølgelederen.

Forbedringer i grensen mellom kjerne og kledning ) kan oppnås ved anvendelsen av to diffusjonslag mellom kjerne og kledning. I dette tilfelle er ett av diffusjonslagene plassert hosliggende til kjernedelen og har en refraksjonsindeks som er lavere enn den for kjernen og kledningsglassene. Et slikt diffusjonslag virker for å kompensere for økninger i-kledningens refraksjonsindeks, som vanligvis skriver seg fra nærheten tii kjerneglassene med høy indeks. Det andre diffu-sjons.lag er plassert mellom det ene dif f us jonslag og kledningen og har en refraksjonsindeks som er høyere enn den for kledningen. Dette lag kompenserer for en hale nedover for in-)deksen til kledningen, som ellers kunne komme fra dopingsmid-delsmigrering inn i det første diffusjonslag.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere beskrives under henvisning til et utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen, som viser: i fig. 1 et skjematisk riss i tverrsnitt av en fler-digelenhet med konsentrisk åpning av den type som vanligvis benyttes for trekking.av optiske bølgeledere med gradert in- . deks,

fig. 2 et diagram som viser begynnelsessammenset-ningsprofilet for en gruppe glass som trekkes fra en flerdi-gelenhet av den type som er vist på fig. 1,

fig. 3 et diagram som viser sluttsammensetnings-profilet for en optisk bølgeleder fremstilt fra en gruppe glass, som vist på fig. 2,

.fig. 4.og 5 diagram som viser begynnelses- og sluttsammensetningsprofilene for grupper av glass.omfattende

diffusjonslag, hensiktsmessig for tilveiebringelse av optiske

0bølgeledere med stor båndbredde i henhold til oppfinnelsen.

På tegningen er det på fig. 1 vist en digelenhet som vanligvis benyttes for trekking av optiske bølgelederfi-lamenter direkte fra en smelte. Den ytterste digel vil vanligvis inneholde et glass 4 med relativt lav refraksjonsindeks5for bølgelederkledningen, mens den indre gruppe av digler vil inneholde glass 1 - 3 i kjernegruppen med relativt høy refraksjons indeks . Hver av diglene i kjernegruppen vil inneholde et glass med en forskjellig sammensetning, med refraksjonsindeksene til sammensetningene økende fra den ytterste digel i

,Q kjernegruppen til den sentrale digel. Således vil det smelte-de glass som forlater åpningsanordningen ha en refraksjonsindeksprofil som går fra et maksimum ved den sentrale åpning til et minimu ved den ytre åpning eller kledningsåpningen.

Vanligvis vil dopingsmidlet som benyttes i disse ,5 glass for å regulere refraksjonsindeksen være et som kan heve refraksjonsindeksen for glasset, slik at kjerneglassene til de indre digler vil ha en relativt høy dopingsmiddelkonsentra- . sjon i forhold til kledningsglasset. En halvprofil av dopingsmiddelkonsentrasjon mot åpningsstillingen eller plasser-jQ ingen i et slikt tilfelle ut fra den sentrale digel til kled-ningsdigelen er vist på fig. 2 på tegningen.

Når glassene trekkes fra digelenheten vil en innbyrdes diffusjon av-dopingsmidler mellom de forskjellige lag

av glass resultere i en utjevning av sammensetningen og re-j5fraksjonsindeksprofilene i den trukne bølgeleder. Denne ut-jevningseffekt er vist med den stiplede linje på tegningens fig. 3, som viser et sluttindeksprofil for en trukket bølge-leder som går ut fra begynnelsesprofilet, vist på fig. 2.

Den uttrukne linje på fig. 3 viser en ønsket pro-

fil for en optisk bølgeleder med ideell gradert indeks. P§n innbyrdes diffusjon for dopingsmidlene mellom glassene i kjernegruppen resulterer i en tilpasning mellom profilene for bølgelederen og den ønskede profil. Imidlertid vil et hale-

heng av kledningsdopingsmiddelsammensetningen og iref raks jonsindeksen opptre nær kjerne/kledningsgrenseflaten, noe som resulterer i en avvikelse fra den optimale grenseprofil som er vist i "hale"-området på fig. 3.

I samsvar med oppfinnelsen blir uttrekningen av

denne avvikelse redusert ved bruk av et glassdiffusjonslag mellom kjernegruppen og kledningsglåsset, idet dette diffusjonslag vanligvis har en dopingsmiddelkonsentrasjon under den for glassene i kjernegruppen og kledningen. En første dopingsmiddelkonsentrasjon og refraksjonsindeksprofil som gruppe med et slikt diffusjonslag er vist ved den uttrukne linje i diagrammet på fig. 4 på tegningen. Diffusjonslaget oppnås ved å fylle digelen umiddelbart hosliggende til kled-ningsglassdigelen med et glass med en meget lav dopingsmiddel-konsentras jon.

Den stiplede linje på fig. 4 viser en sluttdopings-middelkonsentrasjon og refraksjonsindeksprofil for en optisk bølgeleder utformet fra gruppen av glass som er vist med den uttrukne linje på fig. 4, etter innbyrdes diffusjon av dopingsmidlene under trekking. Denne profil indikerer at en be-tydelig reduksjon i størrelsen for diffusjonshalen er oppnådd,

noe som skriver seg fra kjerne/kledningsmiddeldopingsmiddel-diffusjonen som kan gjennomføres ved bruk av et diffusjonslag med lavt dopingsmiddelinnhold.

Selv om sluttindeksprofilen som er vist på fig. 4

utgjør en forbedring i kjerne/kledningsgrenseflaten i forhold til den profil som er vist på fig. 3, vil et visst haleheng i dopingsmiddelkonsentrasjonen og refraksjonsindeks i kledningsglåsset nær kjerné/kledningsglassgrenseflaten enda kunne iakttas. For å regulere denne effekt blir det fortrinnsvis innført et andre diffusjonslag i bølgelederstrukturen mellom det første diffusjonslag og kledningen.

Den uttrukne linje på fig. 5 svarer til en begynnel-sesprofil for dopingsmiddelkonsentrasjonen og.refraksjonsindek-

sen som en funksjon av digelplasseringen for en gruppe glass som innbefatter to diffusjonslag mellom kjerne og kledning.

Den relativt store refraksjonsindeks for det ytre diffusjons-

lag umiddelbart hosliggende til.;klédriingem.eri.beregnet på å redusere halehenget til indeksen for kledningen under bølge-ledertrekkingen.

Den stiplede linje på fig. 5 svarer til et ..sluttdop-ingsmiddel og indeksprofil for en optisk bølgeleder trukket av gruppen av glass med begynnelsesprofilen som er vist på

fig. 5. Sluttprofilen viser at det andre diffusjonslag kan regulere utdiffunderingen av dopingsmiddel fra. bølgelderkled-ningen og at en profil som i stor grad svarer til en ideelt

gradert indeksprofil kan oppnås i glassystemet hvor det benyt-

tes to diffusjonslag.

Selv om det ved den ovenstående beskrivelse er vist

til diffusjon av et enkelt refraksjonsindeksøkende dopingsmid-

del, er det klart at dopingsmiddelmigrering i glass ofte med-

fører en ionevekslingsprosess hvor kationer migrerer ut av et glasslag og veksles ut med andre kationer som migrerer inn i glasslaget. Således er uttrykket dopingsmiddel beregnet på å omfatte migrerende kationer som er mer effektive ved økning av refraksjonsindeksen til et glass enn de typer som de erstat-

ter.

Glassmodifiserende oksyder innbefatter kationer som

kan heve refraksjonsindeksen til glass er velkjent, idet slike oksyder innbefatter de fleste alkali- og jordalkaliske metall-oksyder såvel som en rekke andre oksyder av enverdige, tover-

dige og også treverdige metallioner. Vanligvis er enverdige kationer foretrukket ut fra diffusjonseffektivitetssynspunkter.

Flerdigelenheter som kan benyttes ved fremstillingen av optiske bølgeledere med gradert indeks i henhold til oppfinnelsen innbefatter enheter som også er blitt benyttet innenfor teknikkens stand til dette formål. Slike enheter kan fremstilles av ildfaste keramiske materialer eller fortrinns-

vis platina, med utforming og avstand mellom åpningene i avhen-

gighet av viskositet og ønsket tykkelse for hvert av glassla-gene som skal benyttes i bølgelederen eller bølgelederemnet,

Refraksjonsindeksene og tykkelsen for kjernegruppe-lagene og diffusjonslagene velges ut fra den ønskede refraksjonsindeksprofil i den trukne bølgeleder. Faktorer.som vil påvirke den ønskede tykkelse og refraksjonsindeksen er diffu-sjonshastigheten for de kationiske dopingsmidler i hvert av lagene og de termiske tilstander under hvilke trekking, eller trekking og gjentatt trekking, av bølgelederen utføres. Imidlertid kan disse faktorer lett bestemmes for. ethvert spesielt dopingssystem og denønskede profil ved rutinéeksperiment.

Som et eksempel på en spesiell utforming som kan benyttes for å tilveiebringe en optisk bølgeleder med et dopingsmiddel og en ref raks jonsindeksprof il,, som vist på fig. 5, vises til den følgende tabell som gjelder for en femlags utforming som omfatter to kjernelag, to diffusjonslag og et kledningslag. I tabellen er det angitt en normalisert dop-ingsmiddelkonsentras jon for hvert av lagene og en tykkelse for hvert lag uttrykt som et radielt tykkelsesområde, hvor aksen til en glasstrøm befinner seg ved en radius R = 0, og den ytre flate av glasstrømmen befinner seg ved R = 1,0. Refraksjonsindeksene for kjernen, diffusjonslag og kledningslag er pro-porsjonale til konsentrasjonen av dopingsmiddel i laget.

Det ovenstående eksempel skal bare tjene til å illustrere profiler"som innbefatter diffusjonslag slik de er anordnet.i henhold til oppfinnelsen. Det kan selvfølgelig velges andre profiler basert på ovenstående betraktninger for å gi optiske trukne bølgeledere med stor båndbredde for spesielt bruk.

Claims (4)

1.F remgangsmåte til fremstilling av optiske bø lgele-dere av glass, bølgelederemner eller preformer av smeltet glass, hvor et kledningslag utformet av glass med relativt lav refraksjonsindeks formes rundt en kjernedel som er utformet av ett eller flere glass med relativt stor refraksjonsindeks, ved samtidig trekking av kjernen og kledningsglassene fra adskilte magasiner av: smeltet glass, hvor ett eller flere av glassene inneholder et refraksjonsindeksregulerende dop ingsmiddel som er i stand til å migrere mellom kjernedelen og kledningslaget ved øket temperatur, karakterisert ved at minst ett glassdiffusjonslag er anordnet mellom kledningslag og kjernedel, hvilket minst ene glassdif- , fusjonslag til å begynne med er utformet av et smeltet glass med en mindre refraksjonsindeks enn det glass som danner kledningslaget, i hvilket lag refraksjoh sindeksens verdi øker, i hvert fall ekvivalent til den for kledningslaget i den fremstilte bølgelederstruktur. i

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakteri- sert ved at to glassdiffusjonslag er anordnet mellom kledningslaget og kjernedelen, idet ett av diffusjonslagene er plassert hosliggende til kjernedelen og det andre diffusjonslag er plassert mellom det første diffusjonslag og kled- ; ningslaget og har en større refraksjonsindeks enn kledningslaget.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at glasset eller glassene i kjernedelen inneholder et refraksjonsindeksø kende dopingsmiddel. i

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakteri- ser t ved at det refraksjonsindeksø kende dopingsmiddel omfatter et enverdig eller toverdig metallkationedopingsmiddel.