DE2064409A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kon tinuierhchen Herstellung von Lichtlei terglasfasern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kon tinuierhchen Herstellung von Lichtlei terglasfasernInfo
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Description
Dr. Werner Haßler Lüdenscheid, 29. Dezember 1970
PATENTANWALT A 70 235
5S8 LDDENSCHEID · 206 AA09.
Anmelderin: Firma Nippon Selfoc Kabushiki Kaisha,
j .7-15, 5-Chome, Shiba, Minato-Ku,·
Tokio, Japan.
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleiterglasfasern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung
von Lichtleiterglasfasern mit*einer Verteilung des. Brechungsindex in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse'der
Glasfaser unter fortschreitender Abnahme von einem Zentralwert gegen den Faserumfang hin.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Neuerdings sind ausgiebige Forschungen auf die Lichtübertragungswege
in Lichtübertragungssystemen unter Verwendung von Laserlicht gei-ichtet worden. Beispielsweise ist eine licht- .
leitende Glasfaser oder ein Lichtleiterglasstab (im folgenden zusammenfassend als fokussierende Lichtleiterfaser bezeichnet)
in.dem Preprint S5-5, S. 70 der "National Convention of Denghi
iCsushin Gakk£i (Japanische Nachrichtentechnische Gesellschaft)",
1969,beschrieben, die in der Nähe der Mittelachse eine Ver_
teilung des Brechungsindex in einer Querschnittsebene senkrecht zur optischen Achse der Faser mit quadratischer Abnahme
des Brechungsindex in Abhängigkeit vom Abstand von der Mittel-
109827/1482
achse aufweist. Die wesentlichen Vorteile dieser lichtleiterfaser liegen darin, daß dieselbe unabhängig gegenüber äußere-'
atmosphärischenEinflüssen ist und daß die Glasfaser erforderlichenfalls
frei/gebogen werden kann.
Das grundsätzliche Verfahren zur Herstellung solcher Lichtleiterglasfasern·
ist in der deutschen Offenlegungsschrift 1 913 358, offengelegt am 20. November 1969 mit dem Titel
"Lichtleitender Aufbau und Verfahren zur Herstellung desselben"
erläutert. Danach erfolgt ein Ionenaustausch zwischen dem Glas und einer Salzschmelze oder eine wechselweise Diffusion von
Kationen zwischen zwei Gläsern unterschiedlicher Zusammensetzung, damit man die gewünschte Konzentrationsverteilung von
Abwandlungsoxiden aufgrund der Wärmediffusion dieser Kationen erhält. Das bekannte Verfahren benötigt jedoch eine lange
Zeitdauer für die wechselweise Diffusion der Kationen.
Aufgabe der Erfindung ist die wesentliche Verkürzung der Behandlung
sdauer für den Diffusionsvorgang.
In weiterer Zielsetzung erstrebt die Erfindung eine Verbindung des Ausziehens der Glasfaser und des -^iffusionsvorgangs in
einer Arbeitsstufe.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch -gelöst, daß eine erste Glasschmelze mit einem Gehalt an einen größeren Beitragsgrad zum Brechungsindex liefernden Ionen durch mindestens eine
Zentraldüse zur Bildung eines Kernteils der Glasfaser fließen gelassen wird und daß eine zweite Glasschmelze^ mit einem Gehalt
an einen kleineren Beitragsgrad zum Brechungsindex liefern«
den Ionen durch eine zweite Düse zur Bildung einer Mantelschicht fließen gelassen wird, wobei die Mündung der ersten
Zentraldüse in Strömungsrichtung gegenüber der Mündung der
zweiten Düse zurückgesetzt Ist«,
10982 77H82
Bei.dieser Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt
die Wärmediffusion zwischen den Kationenarten im wesentlichen
durch die Grenzfläche zwischen den beiden Glassorten im Bereich zwischen den Mündungsflächen der beiden Düsen, also unmittelbar
während des Ausziehvorgangs. Da die Gläser beim Ausziehen aus
der Düse eine hohe Temperatur haben, läuft der Diffusionsvorgang so schnell ab, daß eine ausreichende Verteilung der Ionen
erzielt wird.
In weiterer Ausbildung schlägt die Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens der folgenden Kennzeichnung vor, daß ein Aufnahmebehälter für Glasschmelzen ein Innengefäß mit
mehreren Zentraldüsen und ein Außengefäß mit einer zweiten Düse aufweist und daß die Mündung(en) der Zentraldüse in Ausflußrichtung der Glasschmelze gegenüber der Mündung der zweiten
Düse zurückgesetzt ist. Vorzugsweise ist die zweite Düse als Ringdüse ausgebildet, die konzentrisch zu~der Zentraldüse angeordnet
ist.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sieht man vor, daß
mehrere Zentraldüsen parallel zueinander angeordnet sind und daß die Mündungen der Zentraldüsen gegenüber der Mündung der
zweiten.Düse zurückgesetzt sind. Mit einer solchen Anordnung kann man eine Lichtleiterfaser mit mehreren Lichtübertragunswegen
entsprechend den verschiedenen Kernteilen herstellen.
Die Erfindung wird im folgenden in Einzelheiten unter Bezugnahme
auf die anliegende Zeichnung erläutert, in der darstellen:
Pig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung und
Fig. 2(a) und 2(b) Schaubilder der Verteilung des
Brechungsindex in verschiedenen Teilen der Lichtleiterglasfaser während des Herstellungs
vorgänge♦
109827/1482
- 4 -■ ■■·"■'."■■ 206440a
Nach der Erfindung sind zwei verschiedene Düsen der Art angeordnet,
daß eineDüse eine Zentraldüse und die andere Düse eine koaxial-die"Zentraldüse umgebende Hingdüse bildet. Glasschmelzen
unterschiedlicher Zusammensetzung, eine mit einem Gehalt an Ionen größeren Beitrags zum Brechungsindex wie Tl-Ionen
und die andere mit einem Gehalt an Ionen von kleinerem beitrag zum Brechungsindex wie Li-, Na-, K-, Rb- und/oder Cslonen
werden jeweils durch die Zentraldüse bzw. durch die Ringdüse geschickt , so daß man eine Glasfaser aus zwei Schichten
erhält. Innerhalb dieser Glasfaser erfolgt eine wechselweise
Diffusion der genannten Ionen durch die Grenzflächen zwischen den beiden Schichten. Damit erhalt man eine Verteilung des
Brechungsindex in einer Ebene senkrecht'zur optischen Achse
der Glasfaser, wo der Brechungsindex gleichförmig von einem Ausgangswert im Zentrum der Glasfaser gegen den Umfangsteil der
Glasfaser hin abnimmt.
Das Verfahren nach-der Erfindung wird infolgedessen derart
verwirklicht, daß man eine erste Glasschmelze mit einem Gehalt an Ionen größeren Beitrags zum Brechungsindex wie Tl-Ionen in
ein Innengefäß einsetzt, das an die Zentraldüse angeschlossen
ist; eine zweite Glasschmelze mit einem Gehalt an Ionen geringeren Beitrags zum Brechungsindex wie Li-, Ha-, K-, Rb-.und/
oder Cs-Ionen wird in ein zweites Gefäß eingesetzt, das mit
der Ringdüse verbunden ist» Die aus der Ringdüse ausströmende
Glasschmelze umgibt gleichförmig die andere Glasart,die aus
der Zentraldüse ausfließt. .
Die Mündung der .Zentraldüse liegt höher als di« Mündung der
Ringdüse. Durch die hierdurch gebildete Grenzfläche zwischen^ . den beiden Glasschmelzen in dem Zylinderabschnitt zwischen den
Mündungsflächen der beiden Düsen erfolgt eine wechselweise ■;
Wärmediffusion der Ionen mit größerem Beitrag zum BrechUngs*·
index und der Ionen mit kleinerem Beitrag zum Brechungsindex,
60 daß man «ine Verteilung des Brechungsindex in einer Ebene
senkrecht zur optischen Achse der Glasfaser unter fortschreiten«
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ORIGINAL If-iSPECTEO
der Abnähme vom Paserzentrum gegen den Umfang hin erhält.
In einem gewissen Ausmaß erfolgt auch eine Wärmediffusion in
dem Glas, das aus der Ringdüse ausgezogen ist.
Der axiale Abstand sswischen den Mündungen der Ringdüse und der
Zentraldüse ist Verschieden in i|lilngif3f©it von dem Durchmesser
der zu bildenden Glasfaser und von der gewünschten Verteilung des Brechungsindex. Im allgemeinen ist dieser Abstand größer
als 2 mm, vorzugsweise größer als 5 mm.
Der Abstand zwischen den Mündungen der Zentraldüse und der Ringdüse wird vorzugsweise unter Berücksichtigung der folgenden
Bedingungen geregelt. Die Verteilung des Brechungsindex aufgrund der wechselweisen Diffusion der Ionen durch die Grenzschicht
zwischen dem §,μ3. der Zentrialdüse ausgezogenen Kernglas
und dem aus der Ringdüse ausgezogenen Mantelglas soll qua-*
dratisch.mit dem Abstand von der Mittelachse innerhalb einer
Querschnittsebene senkrecht, zur optischen Achse der Glasfaser
abnehmen, zumindest in der Nähe der Mittelachse.
Die Anzahl der Zentraldüsen kann eine oder mehrere betragen.
Die Düsen verlaufen dann jeweils parallel zueinander. Im letzteren Falle ist das aus einer jeden Zentraldüse ausströmende
Kernglas von den anderen Kerngläsern getrennt und jeweils gesondert durch die zweite Glasschmelze, die aus der Ringdüse
ausströmt, umgeben. Es erfolgt also eine wechselweise Diffusion von Ionen zwischen den beiden Glasarten durch die
betreffenden Grenzschichten.
Wem/einwertige Kationen, die wechselweise durch die Grenzschicht
diffundieren können, betrachtet und wenn diese Kationen in der Reihenfolge ihres Beitrages zum Brechungsindex, ausgehend
von Kationen mit dem größten Beitrag aufgezählt werden, -erhält man die Reihenfolge Tl, Li, K, Wa, Rb. Zwischen K, Na,
Rb sind keine merklichen Differenzen im Beitrag zum Brechungs-
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index vorhanden. Wenn außerdem das Kernglas und das Mantelglas mit diffundierbaren Anteilen von zweiwertigen Kationen
ausgewählt sind, lassen sich die zweiwertigen Ionen entsprechend anordnen
Pb, Ba, Cd, Sr, Ca, Zn, Be, Mg
entsprechend der Größe des Beitrags zum Brechungsindex,
Durch die Erfindung sind die Bearbeitungsstufen zur Einstellung der gewünschten Verteilung des Brechungsindex und zur Bildung
der Verbundglasfaser in eine Bearbeitungsstufe zusammengefaßt. Dadurch läßt sich nicht nur'die erforderliche Bearbeitungszeit
herabsetzen, sondern auch die Vorrichtung zur Herstellung dieser Glasfasern vereinfachen.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung. Das Kernglas i ist als Schmelze mit einem-Gehalt an Ti-Ionen
und der Zusammensetzung in Mol~$ von bspw. 70,3 $>
SiO«, 17,0 #
Na2O, 3,3 1* 53-2°» 9»4- .S^ ?bÖ in einem Innengefäß 11 enthalten.
Der Brechungsindex dieses Glases beträgt 1,60, Eine andersartige Glasschmelze 2 zur Bildung der Mantelschicht, die den
Kernteil umgibt, enthält mindestens eine Art der Ionen Li, Na, K, Rb, Cs und hat folgende Zusammensetzungen in Mol-$: 70,5
SiO2, 17,0 fo Na2O, 3,5 $ KgO, 9,0 ^ PbO; der Brechungsindex
dieses Glases beträgt 1,56. Die Glasschmelze 2 für die Mantelschicht ist in einem Außengefäß 12 enthalten. Pur Innengefäß
und.Außengefäß 12 sind Heizeinrichtungen 13 vorgesehen, damit
die Glasschmelze jeweils in einem Schmelzzustand gehalten werden kann. Man zieht zwar elektrische Heizeinrichtiyagen vor, doch
kann man auch andere Heizeinrichtungen benutzen.
Der Unterteil des Innengefäßea 11 ist verjüngt und bildet eine Zentraldüse. Der Unterteil des Außengefäßes 12 ist ebenfalls
verjüngt und bildet eine Ringdftee, die die Zentraldüse konzentrisch umgibt und damit auch konzentrisch au ä@m aus der
Zentraldüse austretenden Kernglas liegt. Die Glasschmelze 1"
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_ 7 —
strömt also aus der Zentraldüse auB und bildet den Kernteil
einer Glasfaser, die Glasschmelze 2 strömt aus der Äingdüsel·
aus und bildet die Mantelsohicht derselben Glasfaser. ■
Damit die Zeitdauer, während der die beiden Gläser im Schmelzzustand
miteinander in Berührung sind und während der eine wechselweise Diffusion der Kationen zur Einstellung der gewünschten
Verteilung des Brechungsindex erfolgt, verlängert wird, ist die Ringdüse unterhalb der Zentraldüse angeordnet.
Im einzelnen ist die Ringdüse in Ausströmrichtung über die Mündungsfläche der Zentraldüse hinaus verlängert, eo daß die
Ringdüse die Zentraldüse einschließt.Infolgedessen wird das
Kernglas 1 nach Austritt aus dör Zentraldüse mit der zweiten Glasart 2 für die Mantelschicht im innigen Verbund beschichtet.
Die miteinander verbundenen Gläser werden mithilfe von zwei
Walzen 14 gestreckt, damit man eine Glasfaser 3 des gewünschten Durchmessers erhält.
Die Diffusionsgeschwindigkeit von Ionen durch eine Grenzschicht
zwischen zwei verschiedenen Glasarten ist größer, wenn es sich um einwertige Kationen handelt. Andererseits soll zur Erzielung
der gewünschten Verteilung des Brechungsindex innerhalb der Glasfaser für einen Lichtleitereffekt die Diffusion zwischen
mindestens zwei Kationenarten erfolgen, die einen größeren Unterschied der elektrischen Polarisierbarkeit pro Volumeneinheit
haben, bspw. zwischen Tl-Ionen und andererseits Li-, Na-,
K-, Pb- und/oder Cs-Ionen, wie dies in der genannten Offenlegungsschrift
1 913 358 dargelegt ist.
Die Fig. 2(a) und 2(b)zeigen Verteilungsbeispiele für den :
Brechungsindex in verschiedenen Stufen des Diffusionavorgangs. Fig. 2(a) gibt eine Verteilung des Brechungsindex in einer
Glasfaser in einem Anfangszustand an, wenn die beiden Glasarten
im Schmelzzustand zusammengebracht sind. Die Verteilung ist unter Berücksichtigung der Diffusionegeeohwindigkeit der
Kationen berechnet· Fig. 2(b) gibt eine gemessene" Verteilung dee
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Brechungsindex in einer erzeugten Glasfaser nach Abschluß des
Diffusionsvorgangs an. Die Verteilung nach Fig. 2(b) ist im wesentlichen parabolisch entsprechend der Gleichung
2
n=n (1 - ar )
n=n (1 - ar )
mit η als Brechungsindex in einem Abstand r ^rom Paserzentrum,
n, als Brechungsindex im Zentrum der Glasfaser, r als Abstand
vom Zentrum der Glasfaser und a als einer positiven Konstanten, Eine Glasfaser dieser Verteilung des Brechungsindex ist als
Lichtübertragungsweg in einem Lichtübertragungssystem oder als optischer Glaskörper mit Linsenwirkung oder für Zwecke der
Informationsverarbeitung brauchbar.
Innerhalb einer Querschnittsebene dieser Glasfaser nimmt die Konzentration der Ionen mit größerem Beitrag zum Brechungsindex^
bspw» die Konzentration der Tl-Ionen vom Zentrum gegen den
Umfang hin fortschreitend ab„ dagegen steigt die Konzentration
der Ionen mit kleinerem Beitrag zum Brechungsindex bspw«, die
Konzentration der Alkaliionen vom Zentrum gegen den Umfang hin allmählich an* Die Überlagerung dieser Konzentrationsverteilung
der beiden Ionen ergibt, die gewünschte Verteilung des Brechungsindex.
Zur Bestimmung der.Bearbeitungsbedingungen zur Herstellung einer
Lichtleiterfaser mit parabolischer Verteilung des Brechungsindex werden die Diffusionskoeffizienten der Tl-Ionen des Kernglases
durch die Grenzschicht zwischen dem Kernglas und dem Mantelglas bei verschiedenen. Temperatiiren bestimmt« Die Meßergebnisse
sind in Tabelle 1 angegeben«. . ' % ·
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| Temperatur | Viskosität des Kernglases |
Diffusionskoeffizient der Tl-Ion'en |
| 900 (0O) 1000 1T00 1200 |
104»2 (Poise) 1O3,5 102>9 ' . : 1O2»5 |
2 χ 10~6 (cm2/sec) 4 χ 10~6 8 χ 10""6 1 χ 10~5 |
Die Einwirkungszeiten zwischen Kernglas und Mantelglas der obigen Zusammensetzung beim Ausziehen einer Lichtleiterfaser
sind in der folgenden Tabelle 2 für verschiedene Temperaturen angegeben,
' Tabelle 2
| Einwirkungs zeit | Ringdüse mit einem Innendurchmesser vor 2 mm, Zentraldüse mit 1,0 mm Innen durchmesser |
|
| Temperatur | Ringdüse mit 3 mm Innendurchmesser und Zentraldüse mit 1,5mm Innendurchmesser |
3 min 1,5 · 1,0 0,8 |
| 900 (0C) 1000 1100 1200 |
6 min 3 2 1,5 |
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Damit ein gleichförmiges Ausziehen der Glasfaser unter gleichzeitiger
Ionendiffusion möglich ist, muß die Höhe der Mündungsfläche der Zentraldüse gegenüber der Höhe der Mündungsfläche
der Ringdüse genau eingestellt werden, d.h. die axiale Länge des Abschnitts mit verer-ngtem Durchmesser der Ringdüse, wenn
das Oberende des Abschnitts mit verengtem Durchmesser in der gleichen Ebene mit der Mündung der Zentraldüse liegt. Wenn
bspw. das Außengefäß einen Innendurchmesser des verengten
Abschnitts von 3 nun hat und ein- Innendurchmesser der Zentraldüse
von 1,5 mm vorhanden ist, läßt sich eine Lichtleiterfaser unter stabilen' Bedingungen bei einer Temperatur von etwa
900° G ausziehen, wenn die Länge des Abschnitts mit verengtem
Durchmesser der Außendüse 9 mm beträgt.' Wenn die Ausziehgeschwindigkeit der Glasfaser mit 8,5 cm/min ausgewählt wird,
erhält man eine Glasfaser mit 0,4 mm Außendurchmesser und 0,2 mm
Durchmesser des Kernteils.
Wenn in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Außengefäß zu einer Ringdüse mit einem Innendurchmesser von
2,0 mm verengt ist und der Innendurchmesser der Zentraldüse 1,0 mm beträgt, kann man bei einer Temperatur von 1000° G eine
Glasfaser mit 0,4 mm Außendurchmesser und 0,2 mm Durchmesser des Kernteils unter stabilen Bedingungen bei einer Ausziehgeschwindigkeit
von 9,2 cm/min ausziehen, wenn die Länge des
Abschnitts mit verengtem Durchmesser an der Außendüse 11 mm beträgt.
Für die Glasfasern erhält man in allen Fällen innerhalb eines Zentralbereichs mit einem Durchmesser von 15 yu eine Verteilung
des Brechungsindex nach der oben angegebenen Formel mit einem a-Wert = 0,63 m ,
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Claims (7)
- Patent ansprüche:Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Lichtleiterglasfasern mit einer Verteilung des Brechungsindex in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Glasfaser unter/fortschreitender Abnahme von einem Zentralwert gegen den Faserumfang hin, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Glasschmelze mit einem Gehalt an einen größeren Beitragsgrad zum Brechungsindex liefernden Ionen durch mindestens eine Zentralduse zur Bildung eines Kernteils der Glasfaser fließen gelassen wird und daß eine zweite Glasschmelze mit einem Gehalt an einen kleineren Beitragsgrad zum Brechungsindex liefernden Ionen durch eine zweite Düse zur Bildung einer Mantelschicht fließen gelassen wird, wobei die Mündung der ersten Zentraldüse in Strömungsrichtung gegenüber der Mündung der zweiten Düse zurückgesetzt ist.
- 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnahmebehälter für Glasschmelzen ein Innengefäß (11) mit mehreren Zentraldüsen und ein Außengefäß (12) mit einer zweiten Düse aufweist und daß die Mündung(en) der Zentraldüse in Ausflußrichtung der Glasschmelze gegenüber der Mündxmg der zweiten Düse zurückgesetzt ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Zentraldüse konzentrisch innerhalb der zweiten Düse angeordnet ist.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zentraldüsen parallel zueinander angeordnet sind und daß die Mündungen der Zentraldüsen gegenüber der Mündung der zweiten Düse zurückgesetzt sind.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Zentraldüae gegenüber der Mündung der109827/U8 2206U09zweiten Düse um mehr als 2 mm und vorzugsweise mehr als 5 mm zurückgesetzt ist.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Glasschmelze in dem Innengefäß Ionen mit großem Beitrag zum Brechungsindex mit ThaBLumionen enthält..
- 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengefäß (12) eine Glasschmelze mit Ionen .geringeren Beitragagrades zum Brechungsindex, nämlich Li-, Na-, K-, Kb- und/oder Gs-Ionen enthält.109827/H82
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