DE1949275C3 - Verfahren zur Herstellung einer optischen Gradientenfaser aus Glas - Google Patents

Description

Eine bekannte Lichtleiterglasfaser besteht im wesentlichen aus einem Kernteil mit vergleichsweise hohem Brechungsindex zur Lichtübertragung und einer Mantelschicht mit vergleichsweise niedrigem Brechungsin- dex, die den Kernteil umgibt Zwischen dem Kernteil und der Mantelschicht ist eine Grenzfläche vorhanden. Wenn ein Lichtbündel in eine Stirnfläche des Kernteils unter einem Winkel größer als der Winkel der Totalreflexion an der Grenzfläche eintritt, wird dieses Lichtbündel fortgesetzt an der Grenzfläche reflektiert und dadurch innerhalb des Kernteils übertragen. Eine solche beschichtete Lichtleiterfaser hat jedoch verschiedene Nachteile, von denen die wichtigsten folgende sind:

Da ein in die Faser eintretendes Lichtbündel sich unter fortgesetzter Totalreflexion" ausbreitet, bilden sich Längenunterschiede der Lichtwege der einzelnen Strahlen des Bündels aus, was zu Verzerrungen der Phasengeschwindigkeiten führt, wenn das Lichtbündel die Faser verläßt. Wenn solche Verzerrungen der Phasengeschwindigkeit vorhanden sind, wird es schwierig, sich mit hoher Frequenz ändernde Lichtsignale innerhalb einer solchen Lichtleiterfaser einer Lichtübertragungsstrecke zu übertragen.

Da außerdem ein sich innerhalb der Faser ausbreitendes Lichtbündel fortgesetzt an der Grenzfläche reflektiert wird, wird die Breite desselben fortgesetzt größer, und gleichzeitig treten Reflexionsverluste an der Grenzfläche auf. Dieses beeinträchtigt ebenfalls den Wirkungsgrad einer Lichtübertragungsstrecke. Zur Bildübertragung werden optische Faserplatten und Faserbündel, die jeweils im wesentlichen aus einer großen Anzahl beschichteter optischer Fasern bestehen, benutzt. Eine jede Faser besteht aus einem Lichtleiterkernteil mit hohem Brechungsindex und einer Mantelschicht mit niedrigem Brechungsindex. In einer solchen Bildübertragungseinrichtung dienen jedoch die einzelnen optischen Fasern nur zur Übertragung von Lichtflecken, so daß das Auflösungsvermögen der gesamten Einrichtung durch den Durchmesser der optischen Fasern begrenzt ist. Wenn man auch das Auflösungsvermögen bis zu einem gewissen Grade durch Verwendung von Fasern mit kleinem Durchmesser steigern kann, liegt für den erreichbaren Faserdurch- messer eine untere Grenze vor. Es ist ungemein schwierig, optische Fasern mit Durchmessern unter 10 μ herzustellen. Damit ist die erreichbare Grenze des Auflösungsvermögens vorgegeben. Je kleiner der Durchmesser der optischen Fasern ist, um so schwieriger wird die Herstellung der Bildübertragungseinrichtung aus solchen Fasern, so daß die Herstellung unwirtschaftlich ist

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für Lichtleiterglasfasern, womit man Lichtleiterglasfasern ohne Phasenverzerrung bei der Übertragung eines Lichtbündels sowie ohne Reflexionsverluste erhält Diese Lichtleiterglasfasern sollen für eine Impulsnachrichtenübertragung mit hoher Schrittgeschwindigkeit sowie für eine Laserimpulsverstärkung mit hoher Schnelligkeit brauchbar sein.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Glasfaser aus einem Mischoxydglas hergestellt wird, die auf eine Temperatur oberhalb des unteren Entspannungspunktes bei einem Druck erhitzt wird, der niedriger ist als der Dampfdruck von mindestens einem der Oxyde.

Vorzugsweise wird die Temperatur unter dem Erweichungspunkt der Glasfaser gehalten. Zweckmäßig wird eine Glasfaser mit mindestens einem der Oxyde Tl₂O, Cs₂O, PbO und CdO verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung in bevorzugten Ausführungsformen erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer beschichten Lichtleiterglasfaser,

F i g. 2 ist eine entsprechende Seitenansicht einer Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung, und

F i g. 3 ist eine schematische Darstellung der Abbildungsverhältnisse in einer Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung.

Nach F i g. 1 besteht eine bekannte Lichtleiterglasfaser im wesentlichen aus einem Kernteil 1 mit vergleichsweise hohem Brechungsindex und einer Mantelschicht 2 mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex, die den Kernteil abdeckt. Die beiden Schichten sind durch eine Grenzfläche getrennt. Ein in eine Stirnfläche des Kernteils eintretendes Lichtbündel 3, das unter einem größeren Winkel als dem Grenzwinkel der Totalreflexion der Grenzfläche ausgerichtet ist, wird innerhalb des Kernteils 1 unter fortgesetzten Reflexionen an der Grenzfläche übertragen. Wenn dagegen ein Lichtbündel 5 in eine Stirnfläche einer Lichtleiterglasfaser 4 nach der Erfindung gemäß Fig. 2 eingeleitet wird, worin der Brechungsindex vom Umfang zum Zentrum fortgesetzt ansteigt, breitet sich das Einfallslichtbündel 5 innerhalb der Glasfaser 4 ohne Reflexion an der Außenfläche aus. Deshalb sind eine Verzerrung der Phasengeschwindigkeit, eine Ausspreizung des Lichtbündels sowie ein Reflexionsverlust weitgehend herabgesetzt.

Das Wirkungsprinzip einer solchen Glasfaser entspricht dem Wirkungsprinzip einer sog. Gaslinse. Eine Glasfaser, mit einer kreissymmetrischen Verteilung des Brechungsindex innerhalb einer Querschnittsebene bezüglich des Zentrums und einem fortgesetzten Ansteigen des Brechungsindex von der Außenfläche zum Zentrum ist außerordentlich vorteilhaft, da die Verzerrung der Phasengeschwindigkeit in der Lichtaustrittsfläche und die Ausspreizung des Lichtbündels wesentlich herabgesetzt werden können.

Vorzugsweise soll die Verteilungskurve des Brechungsindex einer quadratischen Beziehung folgen:

mit r als radialem Abstand vom Zentrum, na als

Brechungsindex im Zentrum der Glasfaser, π als Brechungsindex in einem radialen Abstand, r und a als einer positiven Konstanten. Wenn ein Einfallslichtbündel mit konstanter Impulsbreite in eine Glasfaser der oben angegebenen Verteilung des Brechungsindex eintritt, wird das Lichtbündel innerhalb der Faser unter Erhaltung der Impulsbreite ohne Phasenverzerrung übertragen, so daß es die Faser unverändert verläßt

Wenn eine solche Lichtleiterglasfaser räumlich gebogen wird, bis sie einen Krümmungsradius unterhalb eines Grenzwertes erreicht werden Strahlen des Eingangslichtbündels an der Außenfläche reflektiert oder treten durch dieselbe in den Außenraum der Faser. Dieser Grenzwert des Krümmungsradius hängt von der Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Faser ab. Normalerweise wird dieser Grenzkrümmungsradius kleiner, wenn der Gradient des Brechungsindex ansteigt.

Die Art der Bildübertragung in einer optischen Faser nach der Erfindung ist in Fig.3 dargestellt, wo die optische Faser 6 eine Querschnittsverteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung

η = M)(I- ar²)

hat Wenn ein Gegenstand 7 vor der Stirnfläche der optischen Faser 6 aufgestellt ist, treten Lichtstrahlen von diesem Gegenstand in die Faser ein und breiten sich jeweils auf einer Sinusbahn innerhalb der Faser aus, wo die Wellenlänge dieser Sinusbahn

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beträgt. Schließlich erhält man ein reelles Bild 8 im Außenraum der Faser 6.

Anstelle eines reellen Bildes 8 im Außenraum der Faser 6 gemäß Fig.3 kann man auch ein Bild in der Austrittsebene der optischen Faser 6 erhalten, indem man die Faserlänge entsprechend einstellt und auch den Abstand zwischen Gegenstand 7 und optischer Faser 6 auswählt. Man kann außerdem eine Vergrößerung oder Verkleinerung erzielen.

Der Brechungsindex eines Glases hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung desselben ab. Folglich kann man einen Glaskörper mit sich fortschreitend änderndem Brechungsindex im Inneren dadurch erhalten, daß sich innerhalb des Glases die Zusammensetzung fortschreitend ändert. Eine Lichtleiterglasfaser mit von der Oberfläche nach innen fortgesetzt zunehmendem Brechungsindex läßt sich erhalten, indem eine Glasfaser eine Verteilung der Glaszusammensetzung erhält, wo die Zusammensetzung von der Oberfläche in das Faserinnere eine fortgesetzte Änderung aufweist. Jedoch lassen sich Glaskörper, insbesondere Glasfasern, mit einer Verteilung der Glaszusammensetzung, die eine fortschreitende Änderung des Brechungsindex bedingt, nicht leicht herstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung solcher Glasfasern gestattet es nun, eine Querschnittsverteilung des Brechungsindex senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung im wesentlichen nach der Beziehung

η = no (I— ar²)

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einzustellen, so daß diese Glasfasern eine Lichtimpulsübertragung mit hoher Schrittgeschwindigkeit sowie eine Laserimpulsverstärkung und eine Bildübertragung verwirklichen können. 6j

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich im wesentlichen dadurch ausführen, daß man eine Mischoxyd-Glasfaser in einer Atmosphäre, deren Dampfdruck unter dem Sättigungsdampfdruck der zu verdampfenden Oxyd-Bestandteile bei der betreffenden Temperatur liegt, auf eine entsprechend hohe Temperatur erhitzt, indem man die Faser längere Zeit in einem Heizofen unter einem hohen Vakuum hält, wobei die Ofentemperatur über der Entspannungstemperatur und vorzugsweise unter dem Erweichungspunkt der Glasfaser liegt Die verdampfbaren Oxyde in der Nähe der Faseroberfläche entweichen dabei, so daß sich ein Konzentrationsgradienten in Querrichtung der Faser einstellt Dadurch erhält man eine Glasfaser mit einer Verteilung des Brechungsindex in Querschnitten senkrecht zur Lichtausbreitung im wesentlichen nach der Beziehung

η = no(l— ar²).

Normalerweise bringen Kationen mit größerem Wert des Verhältnisses Elektronenpolarisierbarkeit/Ionenradius 3 innerhalb eines Glases einen ausgeprägteren Beitrag zur Vergrößerung des Brechungsindex. Einwertige Kationen lassen sich in die folgende Reihe einordnen:

Tl> Li > K-Na-Rb.

Für zweiwertige Kationen ist die Reihenfolge des Beitrags zur Vergrößerung des Brechungsindex folgende:

Pb>Ba>Cd>Sr>Ca>Zn>Be>Mg.

Feste und flüssige Stoffe haben jeweils einen bestimmten Dampfdruck. Der Dampfdruck steigt im allgemeinen exponentiell mit der Temperatur an. Die Verdampfungsgeschwindigkeit eines Stoffes steigt außerdem an, wenn sich derselbe in einem Vakuum oder einer Atmosphäre mit einem Dampfdruck unter dem Säuigungsdampfdruck des Stoffes bei der betreffenden Temperatur befindet. Die Verdampfungsgeschwindigkeit steigt mit der Größe des Vakuums.

Wenn ein Stoff aus Bestandteilen unterschiedlicher Wirkung wie ein Glas Verdampfungsbedingungen, beispielsweise hoher Temperatur oder hohem Vakuum, ausgesetzt wird, erfolgt die Verdampfung so, daß bestimmte Bestandteile in besonders großen Mengen verdampfen, daß die Dampfdrucke der verschiedenen Bestandteile unterschiedliche Größe haben.

Diese Eigenschaft von Gläsern wird im Rahmen der Erfindung ausgenutzt, in dem Glasfasern aus verschiedenen Oxyden unter hohem Vakuum auf hohe Temperatur erhitzt und so einer differenzierten Verdampfung der Oxyde ausgesetzt werden.

Bei der Auswahl der zu den eigentlichen Glasbildungsoxyden zugesetzten Oxyde muß man Kenngrößen wie hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten, einen hohen Beitrag zum Brechungsindex und das Diffusionsvermögen innerhalb des Glases in Rechnung stellen. Es hat sich gezeigt, daß unter den einwertigen Zusatzoxyden TI2O und CS2O sowie unter den zweiwertigen Zusatzoxyden PbO und CdO besonders brauchbar sind, weil dieselben einen hohen Beitrag zum Brechungsindex liefern und hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten haben.

Die Behandlungstemperatur muß einerseits genügend hcch zur Verdampfung der Zusatzoxyde und andererseits ausreichend niedrig zur Erhaltung der Faserform sein. Deshalb muß diese Temperatur oberhalb des Entspannungs- oder Transformationspunktes und zweckmäßigerweise unterhalb des Erweichungspunktes der Glasfaser liegen. Das Vakuum sollte so hoch wie

möglich sein, beispielsweise unter 10~²mm Hg, da die Verdampfung durch ein vergrößertes Vakuum begünstigt wird.

Wenn eine Glasfaser die ein Oxyd enthält, welches einen hohen Beitrag zum Brechungsindex bringt und außerdem eine hohe Verdampfungsgeschwindigkeit hat, eine längere Zeit oberhalb der Entspannungstemperatur und vorzugsweise unterhalb des Erweichungspunktes in einem hohem Vakuum gehalten wird, führt die Verdampfung dieses Oxydes in Oberflächennähe zu Konzentrationsunterschieden zwischen dem Faserinnern und dem Oberflächenbereich der Glasfaser. Innerhalb der Glasfaser ergibt sich eine Diffusion des Oxydes vom Innern in Richtung der Oberfläche.

Die Konzentrationsverteilung in einer Querschnittsfläche der Glasfaser senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung stimmt annähernd mit der Diffusionsgleichung überein, so daß eine Glasfaser mit einer Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Gleichung

η = Πο(1—ar>)

erhalten wird.

Für Lichtlerterglasfasern nach der Erfindung kann man Silikatgläser, Boratgläser und Phosphatgläser und andere Oxydgläser benutzen.

Wenn ein Lichtbündel in eine Stirnfläche der Glasfaser nach der Erfindung eingeleitet wird, wird die Lichtausbreitungsrichtung gebogen, ohne daß eine Reflexion des Lichtbündels innerhalb der Glasfaser auftritt. Das Einfallslichtbündel wird in Richtung ansteigenden Brechungsindex krümmt. Folglich kann man mit einer Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung die Lichtausbreitungsrichtung abbiegen.

Außerdem besitzt eine Lichtleiterglasfaser mit einer Querschnittsverteilung des Brechungsindex mit radialer Symmetrie bezüglich der Faserachse, wo der Brechungsindex von der Mittellinie fortgesetzt abnimmt, die Wirkung einer Konvexlinse und dient zur Fokussierung eines Lichtbündels.

Da sich ein einfallendes Lichtbündel reflexionsfrei innerhalb der Glasfaser nach der Erfindung ausbreitet, tritt keine Phasenverzerrung auf der Austrittsseite auf; außerdem ist eine Aufspreizung des Bündelquerschnius ausgeschaltet. Folglich kann man die Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung zur Lichtübertragung von hochfrequenten Lichtsignalen mit hohem Wirkungsgrad einsetzen. Mit Hilfe einer Lichtleiterglasfaser innerhalb des Übertragungsweges eines Lichtübertragungssystems kann man die Biegsamkeit der Faser ausnutzen, wodurch Lage und Richtung der Lichtaustrittsfläche der Faser willkürlich eingestellt werden können.

Im Gegensatz zu bekannten Lichtleiterglasfasern mit Mantelschichten ist bei der Glasfaser nach der Erfindung keine Reflexionsschichi erforderlich. Deshalb ist der Übertragungsquerschnitt einer Faser nach der Erfindung groß, außerdem ist die Herstellung vereinfacht

Die Lichtleiterglasfaser nach der Erfindung kann erforderlichenfalls auch mit einer Mantelschicht bedeckt werden, nämlich mit einem Stoff eines geringen Brechungsindex, einem Lichtabsorberstoff oder einem Lichtreflektorstoff. Außerdem kann man eine Mehrzahl von Fasern zu einem Faserbündel oder einer Faserplatte zusammenfassen. Die Fasern nach der Erfindung können in einer Vielzahl von Lichtleitereinrichtungen und -geräten Verwendung finden einschließlich einer Lasernachrichtenverbindung und anderen Bildübertragungssystemen.

Unter einer Faser ist im Sinne der Erfindung ein Körper mit vergleichsweise kleinen Querschnittsabmessungen im Vergleich zur Länge zu verstehen, wobei die Querschnittsform beliebig ist. Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wo verschiedene Meßwerte angegeben sind. Damit soll jedoch der Erfindungsgedanke nicht eingeschränkt werden. In den folgenden Beispielen sind die Prozentangaben jeweils Gewichtsprozent.

Beispiel 1

Eine Glasfaser mit 0,1 mm Durchmesser und einer Zusammensetzung im wesentlichen von 50 Prozent TI₂O und 50% SiO₂ wird hergestellt. Diese Glaserfaser wird in einem luftdichtabschiießbaren elektrischen Ofen aufgehängt. Die Ofentemperatur wird auf etwa 470°C eingestellt. Der Innendruck im Ofen wird auf etwa IO-⁴ mm Hg abgesenkt, indem eine Vakuumpumpe an den Ofen angeschlossen wird. Die Glasfaser wird 16 Stunden lang diesen Einwirkungsbedingungen ausgesetzt.

Nach der Behandlung hat die Glasfaser auf der Mittellinie einen Brechungsindex von 1,58 und im Oberflächenbereich von 1,51. Die Verteilung des Brechungsindex innerhalb einer Querschnittsebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zeigt einen im wesentlichen parabolischen Verlauf ausgehend vom Zentrum zur Oberfläche der Faser.

Ein Abschnitt dieser Glasfaser in einer Länge von etwa 10 cm wird mit einem Krümmungsradius von 1 cm gebogen. Ein Einfallslichtbündei mit einer Breite von etwa 0,01 mm wird in den Mittelteil einer Stirnfläche der Glasfaser eingestrahlt, worauf das Lichtbündel innerhalb der Faser auf einer wellenförmigen Bahn weilergelcitet wird, ohne daß eine Reflexion an der Faseroberflächc erfolgt, bis das Lichtbündel die gegenüberliegende Stirnfläche der Faser erreicht. Es zeigt sich, daß die Breite des Lichtbündels auf der Austrittsseite im wesentlichen unverändert wie auf der Eintrittsseite ist.

Beispiel 2

Eine Glasfaser von 0,1 mm Durchmesser und einer Zusammensetzung von 55% PbO und 45% SiO₂ wird hergestellt. Diese Glasfaser wird in einem luftdicht abschließbaren elektrischen Heizofen aufgehängt. Die Ofentemperatur wird auf etwa 480⁰C eingestellt. Der Innendruck des Ofens wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe auf etwa ΙΟ-⁴ mm Hg abgesenkt. Die Glasfase- wird 24 Stunden lang unter diesen Bedingungen behandi It.

Man erhält eine Glasfaser mit einem zentralen Brechungsindex von 1,63 und einem Oberflächenbrechungsindex von 1,53. Außerdem erhält man für den Brechungsindex eine Querschnittsverteilung mit im wesentlichen parabolischem Verlauf vom Zentrum zur Oberfläche der Faser.

Ein Faserabschnitt in einer Länge von etwa 10 cm wird mit einem Krümmungsradius von 1 cm gebogen. Ein Einfallslichtbündei einer Breite von etwa 0,01 mm wird in den Mittelteil einer Stirnfläche der Glasfaser eingestrahlt Das Lichtbündel breitet sich innerhalb det Faser längs des Faserinneren auf einer wellenförmigen Bahn aus, ohne daß eine Reflexion an der Faseraußenfläche auftritt Dann erreicht das Lichtbündel die gegenüberliegende Stirnfläche der Faser. Die Breite des Lichtbündels ist auf der Austrittsseite im wesentlichen der Breite auf der Eintrittsseite gleich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Gradientenfaser aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasfaser aus einem Mischoxydglas hergestellt wird, die auf eine Temperatur oberhalb des unteren Entspannungspunktes bei einem Druck erhitzt wird, der niedriger ist als der Dampfdruck von mindestens einem der Oxyde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur unter dem Erweichungspunkt der Glasfaser gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasfaser mit mindestens einem der Oxyde TI₂O, Cs₂O, PbO und CdO verwendet wird.