NO843958L - Fremgangsmaate for fremstilling av laminert enkelt polarisasjonsfiber - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører optiske fibere. Mer spesielt vedrører den en fremgangsmåte for fremstilling av et enkelt-modus optisk fiber hvor kjernen fremstilles av tynne lag, hvor nabolag har forskjellig brytningsindeks.

I visse anvendelser av enkelt-modus optiske bølgelederfibere, f-, eks. gyroskoper, sensorer o.1., er det viktig at det optiske signal som overføres beholder polarisasjonskarakteri-stikken for lyssignalet selv om det finnes eksterne depolari-serende perturbasjoner. Dette krever at fiberet har en asimutal asymmetri i brytningsindeksprofilen. U.S. patent-søknad nr. 499,898, inngitt 1. juni 1983, beskriver et fiber hvor kjernen er fremstilt av et stort antall tynne lag av transparent materiale, hvor nabolag har forkjellige brytningsindekser. Det ville være fordelaktig å fremstille kjernen av et slikt fiber ved en kjemisk dampavsetningsteknikk (CVD),

slik at fiberet er egnet for overføring av optiske signaler over lange avstander.

Fremgangsmåter for fremstilling av optiske fibere som har en asimutal asymmetri i brytningsindeksprofilen beskrives i U.S. patent nr. 3,980,459 og 3.982916 og i U.S. patent-

søknad nr. 500,004, inngitt 1. juni 1983. Ett eller flere lag dannes på den indre overflaten av et substratrør ved at en reaktantdamp føres gjennom røret. Røret med dampblandingen oppvarmes med en bevegelig varmekilde som befinner seg på ut-siden av substratrøret. Derved dannes en suspensjon av glass-partikler inne i substratrøret, partiklene føres med strømmen og smeltes, slik at det dannes en kontinuerlig glassformet avsetning på innsiden av røret. En asymmetrisk struktur fremstilles ved å føre inn en stav i substratrøret, eller ved asymmetrisk oppvarming av substratrøret, slik at glasspartikler fortrinnsvis avsettes på en spesiell del av røret.

Det er en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av en optisk fiber-preform som har et kjerneområde med asimutal asymmetri, bestående av lagdelt glass, hvor nabolag har forkjellig brytningsindeks. En annen hensikt er å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av slike fibere som ikke er utsatt for urimelige tap grunnet brekkasje.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av et optisk fiber. Slike fremgangsmåter omfatter vanligvis et trinn hvor det tilveiebringes en langstrakt kjernestruktur og et trinn hvor et lag glass-cladding pålegges kjernestrukturen. Den resulterende struktur trekkes til et optisk fiber. Ifølge foreliggende oppfinnelse karakteriseres tilveiebringelsen av en kjernestruktur ved at den omfatter at det tilveiebringes en langstrakt spindel som har to motstående, plane sidevegger. På disse sideveggene avsettes et stort antall plane lag av glasspartikler, hvor nabolag har foskjellig brytningsindekts. Den resulterende porøse preform konsolideres slik at det dannes en langstrakt kjernestruktur som består av et stort antall parallelle, tette lag av glass.

Oppfinnelsen illustreres nærmere ved vedlagte figurer. Figurene 1 og 2 viser påføringen av suksessive lag av glass-sot på en spindel.

Figur 3 viser et tverrsnitt av en porøs kjernestruktur.

Figur 4 viser påføringen av sot-cladding på en konsolidert kjernestruktur. Figurene 5 og 6 viser tverrsnitt av modifiserte kjerne-strukturer.

Det bør bemerkes at tegningene er illustrerende og symbolske for den foreliggende oppfinnelse, de er ikke ment å indikere målestokk eller relative størrelser for de elementdelene som vises.

Det er velkjent at enkelt-modus optiske fibere kan fremstilles ved at kjernedelen først fremstilles som separat struktur, deretter påføres kjernestrukturen et lag glass-cladding og trekkes til et optisk firber. U.S. patent nr. 4,360,371

angir f.eks. at en fremstilt kjernestruktur kan roteres om den longitudinale akse mens et lag glasspartikler avsettes som cladding ved hjelp av en flammehydrolyse-brenner som beveges longitudinelt relativt kjernestrukturen. Den resulterende struktur kan trekkes til et optisk fiber, eller den kan oppvarmes til en temperatur som er tilstrekkelig til å gi konsolidering av den porøse delen, og deretter trekkes til et fiber. En kjernestruktur kan også settes inn i en hul glass-sylinder og den resulterende kompositt-strukturen kan oppvarmes og trekkes til et optisk fiber som angitt i U.S. patent nr. 3 ,932 , 1 62 .

Ifølge foreliggende oppfinnelse fremstilles en kjernestruktur som omfatter en lagdelt kjerne ifølge fremgangsmåten illustrert i figurene 1, 2 og 3. En langstrakt spindel 10, med flattrykt tverrsnittskonfigurasjon, har første og annen motstående plane overflater 12 og 14. I en førsteutførelse hvor spindelen 10 utgjør en del av den resulterende optiske fiber, må spindelen være fremstilt av ytterst rent glass og fremstilles derfor fortrinnsvis ved en CVD-prosess. F.eks. kan glass-partikler som dannes ved flammehydrolyseprosessen samles og støpes til ønsket form ifølge fremgangsmåten beskrevet i europeisk publisert søknad nr. 0084438, publisert 27. juli 1983. Spindelen 10 kan også fremstilles ved å rette soten fra en flammehydrolyse-brenner mot et substrat, slik at det bygges opp et belegg av tilstrekkelig tykkelse, konsolidering av soten til et tett glass og oppdeling av glasset i passende stykker ved saging, sliping e.l. De resulterende stykker kan slipes og poleres til den endelige, ønskede form. Etter slike mekaniske operasjoner.som saging og sliping, bør overflaten av den resulterende spindel renses ved å utsette den for et etse-middel som f.eks. HF, vasking og tørking.

En strøm 16 av glass-sot rettes mot overflaten 12 av spindelen 10 fra en sot-avsetningsinnretning 18, som kan omfatte en hvilken som helst sot-avsetningsbrenner eller brennere, herunder flatsidede brennere, båndbrennere e.l.,

som tilveiebringer en strøm av partikkelformet materiale.

For en illustrasjon av egnede brennere refereres til U.S. patent nr. 3,565,345 og 4,165,223. Innretningen 18 kan også omfatte dyser som beskrevet i U.S. patent nr. 3,957,474, som emitterer reaktant-damp som oppvarmes ved f.eks. en laser-stråle slik at en strøm av sot oppstår. Siden en sot-avsetningsbrenner foretrekkes, refereres det heretter til den spesielle typen avsetningsinnretning.

Mens spindelen 10 rotasjonsmessig holdes stasjonært, beveges den longitudinelt en eller flere ganger relativt brenneren 18, som antydet med pil 22, slik at det avsettes et sot-belegg 20 på overflaten 12. Den referanse som her gjøres til bevegelse av spindelen 10 relativt strømmen' 16, innbefatter bevegelse av strømmen 16 relatvit en stasjonær spindel, eller en hvilken som helst kombinert bevegelse av spindel 10 og strøm 16, som resulterer i avsetning av belegg 20. Spindelen 10 roteres så 180°, deretter translateres den relativt brenneren 18 én eller flere ganger, slik at det avsettes et sot-belegg 24 på overflaten 14. Sammensetningen av sot-beleggene 20 og 24 er slik at brytningsindeksen i beleggene er forskjellig fra brytningsindeksen i spindelen 10 i den foreliggende utførelse hvor spindelen forblir i strukturen som en del av det resulterende optiske fiber. Sammensetningen av sot-strømmen 16 forandres så, og ytterligere to sot-belegg 26 og 28 avsettes som beskrevet ovenfor på overflaten av beleggene 24 og 20. På til-svarende måte forandres sammensetningen av sot-strømmen 16 igjen, og sot-beleggene 30 og 32 avsettes på overflaten av beleggene 28 og 26. Ifølge angivelsene i den tidligere nevnte U.S. patentsøknad S.N. 499,899, er det bare nødvendig at nabo-sot-beleggene har forskjellig brytningsindeks. I en spesiell utførelse har beleggene 26 og 28 samme brytningsindeks som spindelen 10, og beleggene 20, 24, 30 og 32 har alle samme brytningsindeks som er forskjellig fra brytningsindeksen i spindelen 10.

Etter at det ønskede antall belegg er pålagt spindelen 10,

kan den resulterende porøse preform konsolideres slik at det dannes en langstrakt kjernestruktur. Det foretrekkes enkelte ganger å legge på et tynt lag av cladding-materiale på denne kjernestrukturen. Figur 3 viser et belegg 36 av sot-cladding som er avsatt utenpå de ytre beleggene 30 og 32 av kjernen.

Som beskrevet iU.S. patent nr. 4, 360,371, kan strips av glass-sot-cladding avsettes på de flate sideveggene av den laminerte kjernestrukturen før rotasjonen av kjernestrukturen og avsetting av belegg 36 av sot-claddingen. Dette gir en raskere fremstilling av den sirkulære, ytre cladding-overflate. Avsettingen av slike strips av sot-cladding kan imidlertid utelates uten av det påvirker geometrien av det resulterende fiber i for stor grad. Hvis sot-claddingen 36 avsettes direkte på lagene 30 og 32 av kjernen, så. vil sot-strømmen fra brenneren avsette en større mengde sot når de flate delene av kjernestrukturen vender mot brenneren enn når de avrundede eller hjørnedelene vender mot brenneren. Dette skyldes at effek-tiviteten av sot-oppsamlingen er en funksjon av størrelsen på målet.'Dette medfører at avviket fra sirkelformen for den avsatte struktur avtar under oppbyggingen av belegget 36.

Sot-strukturen vist i figur 3, konsolideres slik at det dannes en langstrakt kjernestruktur 40, som er vist i tverrsnittet i figur 4. Etter konsolideringen varmes den tette kjernestrukturen og strekkes inntil det gjennomsnittlige tverr-

snitt er lite nok til at den kan virke som en spindel hvor den ytre claddingen kan avsettes. Det foretrekkes at det gjennomsnittlige tverrsnitt av denne tette glass-kjernestrukturen ligger i området 4 til 10 mm. Den deles så i et stort antall staver av passende lengde for montering i en glass-dreiebenk. Kjernestrukturen 40 roteres så som antydet ved pil 42, og translateres relativt sot-strømmen 16 mens det ytre belegget 44 av sot-cladding bygges opp. Vesentlig sirkularitet bør oppnås når den ytre diameter av belegget 42

er tilstrekkelig, relativt størrelsen av kjernen, slik at det resulterende fiber kan fungere som et enkelt-modus-

fiber.

Den resulterende strukturen kan konsolideres og deretter trekkes til et optisk fiber. Konsolideringen utføres fortrinnsvis i nærvær av et halogen, som f.eks. klor, som tørker soten mens den sintrer.

Den resulterende fiber er en enkel-polarisasjons enkelt-

modus optisk bølgelengder av den type som beskrives i den tidligere nevnte U.S. patentsøknad S.N. 499,898. Et slikt fiber bevarer inngangspolarisasjonen bare hvis kjernelagene har en tykkelse som er mindre enn bølgelengden X av lyset som overføres. En slik tykkelse kan oppnås ved å kontrollere tykkelsen av de avsatte sot-lag, og ved å dra eller forlenge disse lagene tilstrekkelig fra det tidspunktet hvor soten avsettes til det endelige fiber dannes. F.eks. kan en kjerne-preform som har en diameter større enn 10 mm oppvarmes og strekkes til en stav eller et overgangsfiber som har en diameter på ca. 4 - 10 mm før sot-claddingen pålegges. Sot-claddingen avsettes så i en slik tykkelse at man kan være sikker på at tykkelsen av hvert lag i det resulterende optiske fiberet er mindre enn X. Pålegging av cladding og trekking kan utføres så mange ganger det måtte være nødvendig for å oppnå den ønskede lagtykkelse.

Med referanse til figur 2 bemerkes det at under påleggingen

av belegget 20 på overflaten 12, vil en del av den to-lagte soten avsette seg på de krummede delene av spindelen 10.

Som vist i figur 3 vil derfor tynneområdet av glass-sot

bygge seg opp på de smale krummede delene av spindelen i tillegg til de ønskede plane beleggene. Den samlede tykkelse av disse tynne områdene av kjerneglass illustreres i figur 4 ved størrelsen d^. Hvis avstanden d^er betydelig mindre en avstanden mellom overflatene av de ytre kjernelagene, vil kjernestrukturen ■ være en god tilnærmelse til den design som foreslås i det tidligere nevnte U.S. patentsøknad S.N. 499,898,

og følgelig resultere i et enkelt-polarisasjons, enkelt-

modus optisk fiber.

Den delen av kjernestrukturen som ville resultere i kant-delene av kjernen innen tykkelsen d^, kan fjernes før avsetning av sot-claddingen 36. Etter at de ytre sot-lagene 30 og 32 er avsatt, sintres den resulterende struktur, og de uønskede delene av den kan fjernes ved saging, sliping e.l.

Den resulterende struktur, som er vist i figur 5, kan så be-legges med sot-cladding og bearbeides til et optisk fiber som beskrevet ovenfor. Før påleggingen av sot-claddingen,

bør overflaten av strukturen i figur 5 etses, renses og tørkes.

En alternativ behandling av kjernestrukturen gir den struktur som er vist i figur 6. Den konsoliderte kjernestruktur kan roteres om den longitudinale akse i en slipeslurry slik at hjørnene avrundes. Avhengig av hvor lenge denne behandlingen utføres, kan en struktur som har en hvilken som helst form mellom den som er vist i figur 5 og den som er vist ifigur 6 oppnås.

Som et alternativ til den utførelse hvor spindelen forblir

en del av det resulterende optiske fiber, kan spindelen 10

i figur 3 fjernes fra sot-preformen før konsolideringen finner sted. I denne utførelsen behøver bare ett av sotlagene 20

og 24 avsettes i fremstillingen av det sentrale laget. Alternativt kan tykkelsene av lagene 20 og 24 settes til halvparten av den ønskede tykkelse på sentrallaget. Ved konsolidering vil disse to tynne lagene gå sammen og utgjøre sentrallaget. Hvis spindelen fjernes fra sot-preformen, kan den resulterende åpning lukke seg under konsolideringen avhengig av slike faktorer som viskositeten av de innerste lagene under konsolideringsprosessen, sammenlignet med viskositeten av glass-claddingen. Videre kan et lavt trykk pålagt åpningen under konsolideringsprosessen, eller under den prosess hvor den konsoliderte preform strekkes til en forlenget stav som er egnet for avsetning av glass-cladding, letter

lukkingen av åpningen. En diskusjon av de faktorer som fremmer lukkingen av spindelåpningen finnes i U.S. patent nr. 4.251,251.

I stedet for å avsette lag av sot, hvor forskjellige lag

har forskjellig brytningsindeks, er det mulig å utnytte den variasjon i sammensetning og i brytningsindeks som naturlig finner sted under avsetningen av lagformet sotstruktur.■

Som beskrevet i publikasjonene N. Yoshioka et al. "Graded Index Profile Formation and Transmission Characteristics

of VAD Fiber", Paper No. 2, 6th ECOC, York, United Kingdom, 1980, side 10 - 13 og Okamoto et. al. Applied Optics, Vol.

20, No. 13, 1. juli 1981, side 2314 - 2318, avhenger konsentra-sjonen av et oksydformet dopemiddel som f.eks. Ge02i et avsatt sotlag, bl.a., av temperaturen på substratet. Når sot-strømmen av en flammehydrolyse-brenner beveger seg langs substratet, vil temperaturen på substratet ved den bakre del av sot-strømmen være høyere enn temperaturen i forkanten av strømmen. Denne temperaturvariasjonen gir variasjoner i sammensetning innen hvert lag av avsatt sot. Resultatet av slike variasjoner i sammensetning innen et enkelt sotlag er at det dannes en struktur som har alternerende lag av høy og lav brytningsindeks. Følgelig kan én enkelt sammensetning av sot-strømmen benyttes til å avsette alle sot-beleggene. Den variasjon i sammensetningen som kreves for at det skal oppstå lag-struktur, hvor nabolag har forskjellig brytningsindeks, oppnås ved den naturlige sammensetningsvariasjon innen hvert lag. Hvis denne effekten ikke gir stor nok forskjell i brytningsindeks mellom områder med høy og lav indeks i et avsatt lag, kan en kjerne fremstilt ved denne fremgangsmåten anvendes i et fiber som er utstyrt med en innretning for å opprettholde polarisasjonen, som f.eks. spennings-staver på diamentalt motsatte sider av kjernen, en elipseformet indre cladding omgitt av en ytre spennings-cladding e.l.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av et optisk fiber bestående av trinnene: tilveiebringelse av en forlenget kjernestruktur, påføring av et lag glass-cladding på kjernestrukturen, og fremstilling av et optisk fiber fra den resulterende preform, karakterisert ved at den forlengede kjernestrukturen dannes ved at man: tilveiebringer en forlenget spindel som har første og annen motstående plane sidevegger av longitudinell utstrekning, avsetter et stort antall plane lag av glass-partikler på første og annen sidevegg, hvor nabolag har forskjellig brytningsindekser, og konsoliderer glass-partiklene til en kjernestruktur som har et stort antall parallelle, tette glass-lag.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter at et innledende lag cladding av glass-partikler pålegges på laminatstrukturen før konsolideringen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at spindelen fjernes fra kompositt-strukturen, bestående av de mange lag glass-partikler og det innledende cladding-lag, før konsolidering.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter et trinn hvor en del av de motstående longitudinelle overflater av kjernestrukturen som står ortogonalt på de plane overflater fjernes, i en utstrekning tilstrekkelig til at den forlengede struktur får et rektangulært tverrsnitt.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter et trinn hvor en del av de motstående longitudinelle overflater av kjernestrukturen som står ortogonalt på de plane overflater fjernes, i en utstrekning tilstrekkelig til at den forlengede struktur får et rundt tverrsnitt.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at avsetningstrinnet innbefatter at spindelen rotasjonsmessig holdes stasjonær, og en strøm av glass-partikler rettes mot spindelen, det tilveiebringes en relativ translasjonsbevegelse mellom spindelen og strømmen, slik at det dannes et belegg av glass-partikler på den første plane overflaten; rotasjon av spindelen 180°, tilveiebringelse av en relativ translasjonsbevegelse mellom spindelen og strømmen, slik at det dannes et belegg av glass-partikler på den andre plane overflaten; forandring av sammensetningen på stømmen av glass-partikler og påføring av nye beleag av glass-partikler på de tidligere påført belegg, hvor sammensetningen av beleggene er slik at brytningsindeksene i nabolag er forskjellige.