DE2638991A1 - Herstellung von lichtleitfasern nach einem fluessigphasen-abscheidungsverfahren - Google Patents

Description

• Herstellung von Lichtleitfasern nach einem Flüssigphasen-Ab-
• scheidungsverfahren Zusatz zu VPA 76 P 7036 = P 26 14 631.6 Herstellung von Lichtleitfasern nach einem FlUssigphasentAbscheidungs-Verfahren.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern.
• Für optische Nachrichtenübertragung werden als Ubertragungsmedium dünne Glasfasern verwendet. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Faserkern und einem Fasermantel, wobei der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Mantels.
• Man kennt Lichtleitfasern mit Stufenindexprofil und Lichtleitfasern mit Gradientenindexprofil. Stufenindexprofil bedeutet dabei, daß der Brechungsindex an der Grenzfläche Kern-Mantel seinen Wert abrupt ändert, dabei hat der Kern einen höheren Brechungsindex als der Mantel. Gradientenindexprofil bedeutet, daß die Lichtleitfaser in der Nähe der Faserachse einen hohen Brechungsindex besitzt, der mit zunehmendem Abstand von der Faserachse kontinuierlich abnimmt. Beide Fasertypen können noch eine zusätzliche Kunststoffumhüllung besitzen, die insbesondere vor mechanischen Schäden schützen soll.
• In derartigen Lichtleitfasern kann Licht über sehr weite Strecken geführt werden.
• Für die Herstellung derartiger Fasern ist die Technik der chemischen Dampfabscheidung bekannt, z.B. aus der Druckschrift J.B. Chesney, P.B. O'Connor, F.V. Di Marcello, J.R. Simpson, P.D. Lazay, "Preparation of low loss optical fibers using simultane-ous vapor phase deposition and fusion", 1Oth Int.
• Congress on Glass (1974), S. 6 - 40 bis 6 - 45.
• Für Fasern mit Stufenindexprofil ist auch die Doppeldtlsenmethode bekannt, z.B. aus H.G. Unger, "Optische Nachrichtentechnik" 1976 Berlin, S. 39 und 40.
• In derälteren Anmeldung P 26 14 631 (= VPA 76 P 7036) wurde ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfasern beschrieben, bei dem ein rotierenderbeheizter Schmelztiegel vorgesehen ist, in den nacheinander Glasmassen mit unterschiedlichen Brechungsindices eingegeben werden. Durch die Rotationsbewegung des Tiegels werden die Glasmassen an der Wandung des Tiegels hochgedrückt und bilden dort aufeinandergeschichtete Glasfilme, wobei die an der Vandung befindliche Glasschicht durch die zuerst in den Tiegel eingeführteGlasmasse gebildet wird, und wobei die innerste Glassdicht durch die zuletzt in den Tiegel eingeführte Glasmasse gebildet wird. Es bildet sich also an der Wandung des Schmelztiegels ein Glaszylinder, der aus mehreren Glasschichten besteht. Diese Glasschichten können unterschiedliche Brechungsindices besitzen. Dieser Glaszylinder kann direkt aus dem rotierenden Tiegel zu einer Glasfaser abgezogen werden.
• Durch entsprechende Wahl der Brechungsindices der einzelnen Glassdichten kann praktisch jeder gewünschte Verlauf des Brechungsindex innerhalb der späteren Lichtleitfaser erzielt werden. Insbesondere lassen sich Fasern mit Stufenindexprofil und mit Gradientenindexprofil herstellen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, für dieses Herstellungsverfahren besonders bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele anzugeben.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.
• Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig und einfach zu handhaben. Außerdem ist vorteilhaft, daß die erzeugten Glasschichten besonders rein herstellbar sind, so daß Lichtleitfasern mit außerordentlich geringer Dämpfung gezogen werden können. Diese Fasern eignen sich vorteilhaft insbesondere für die Nachrichtenübertragung über weite Entfernungen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden glasbildende Schichten aus einer Flüssigphase auf der Innenwand eines rotierenden Schmelztiegels abgeschieden, jede Schicht wird dann in einen Glasfilm umgewandelt, diese Umwandlung kann z.B. durch thermische Zersetzung der Schichten erfolgen.
• Gemäß der Erfindung wird Glas also aus einer Flüssigphase abgeschieden.
• Im Sinne der Erfindung werden unter Glas auch glasartige Kunststoffe verstanden. In diesem Fall werden in einem Lösungsmittel niedere Polymere bzw. Monomere gelöst, die beim Verdampfen des Lösungsmittels zur Polymerisation gebracht werden, z.B. durch Temperaturerhöhung, W-Bestrahlung oder -Bestrahlung.
• Aufgrund der Erfindung lassen sich also Glas- bzw. Kunststofflichtleitfasern mit Stufenindex- bzw. Gradientenindexprofil herstellen.
• Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.
• Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die Flüssigphase aus Lösungen, in denen Verbindungen glasbildender Oxide der Elemente Se, Te, P, As, Si, Ge,Sn, Pb, Ti, B, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb enthalten sind. Aus diesen Lösungen werden die glasbildenden Schichten abgeschieden, die dann durch thermische Zersetzung in Glasfilme umgewandelt werden.
• Entsprechend der gewünschten Glaszusammensetzung soll die dabei zu verwendende Lösung entsprechende Mengen der genannten Elemente enthalten, und zwar a) als reine Verbindungen mit niederen Mono- oder Dicarbonsäuren, wobei die Zahl der Kohlenstoffatome in diesen Säuren nicht höher als 4 sein soll, oder b) als Metallhalogenide, deren Anionen teilweise durch die unter a) genannten Säurereste substituiert sind, oder c) als Metallhalogenide, deren Anionen teilweise durch die unter a) genannten Säurereste und durch Hydroxyl- und/oder Alkoholatreste niederer Alkohole, d.h. höchstens 4 Kohlenstoffatome pro Molekül, substituiert sind.
• Äls Lösungsmittel für die Herstellung von Lösungen der untera) bis c) genannten Verbindungen sollen die Ester niederer Alkohole mit niederen Karbonsäuren, niedere Ketone und niedere Alkohole jeweils allein oder in Mischung miteinander benutzt werden. Unter niedrig wird dabei verstanden, daß in einem Molekül höchstens vier Kohlenstoffatome gebunden sind.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur erläutert. Diese Figur zeigt, wie in dem rotierenden Schmelztiegel Glas abgeschieden wird.
• Gemäß dieser Figur ist ein rotierender Schmelztiegel 20 vorgesehen. Dieser Schmelztiegel kann z.B. aus Platin oder Iridium bestehen. Es sind auch andere Materialien möglich, jedoch ist erforderlich, daß die Tiegelmaterialien keine unerwünschten Reaktionen mit den späteren Glasschmelzen eingehen. Der Schmelztiegel kann beheizt werden, z.B. induktiv, dafür ist eine Induktionsspule 5 vorgesehen, Der Tiegel ist mit einer Wärme -dämmung 21 umhüllt. Der Tiegel ist, wie aus der Figur ersichtlich, rotierbar angeordnet.
• In diesen um seine Achse rotierenden Tiegel wird aus einem Vorratsbehälter 2 eine wie oben beschriebene Lösung gegen die Wandung des Tiegels geleitet. Durch die Rotation des Tiegels bildet sich auf der gesamten Innenwand ein dünner Flüssigkeitsfilm, dessen Dicke im wesentlichen durch die Rotationsgeschwindigkeit des Tiegels, dessen Benetzbarkeit und durch die Viskosität der Lösung bestimmt wird. Die Menge der einfließenden Lösung wird über ein Dosierventil 3 reguliert.
• Aufgrund der Tiegelrotation bildet sich auf der Innenwand des Tiegels ein Flüssigkeitsfilm gleichmäßiger Dicke.
• Die Beschichtung der Innenwand des Tiegels durch die Lösung wird besonders gleichmäßig, wenn ein Lösungsüberschuß in den Tiegel eingeführt wird, dieser Überschuß fließt durch Löcher 22 im Tiegelboden ab und wird in einem Auffanggefäß 4 gesammelt und kann ggf. wieder verwendet werden.
• Sobald auf der Innenwand des Tiegels eine hinreichend dicke glasbildende Schicht abgeschieden ist, wird das Dosierventil 3 geschlossen. Nun erfolgt die thermische Zersetzung der glasbildenden Schicht auf der Innenwand des Tiegels, dabei bildet sich ein Glasfilm.
• Dazu kann der Tiegel in einer Vakuumkammer angeordnet sein, dies Kammer kann nun kurzzeitig evakuiert werden, um das in der abgeschiedenen Schicht verbliebene Lösungsmittel zu verdampfen.
• Nun wird diese Schicht mittels der Induktionsspule 5 erhitzt und damit thermisch zersetzt.
• Es ist auch möglich, nach dem Schließen des Dosierventils 3 Sauerstoff durch den-Tiegel zu blasen, damit wird das in der Schicht verbliebene Lösungsmittel oxidiert und aus der Schicht entfernt.- Danach erfolgt wiederum die thermische Zersetzung der Schicht.
• Für diese thermische Zersetzung dient die Induktionsspule 5, die die Tiegelwand erhitzt und damit die Schicht zur Zersetzung bringt. Die Temperatur bei dieser thermischen Zersetzung ist so zu wählen, daß auf der Innenwand des Tiegels glasige blasenfreie Glasfilme entstehen.
• Es ist zweckmäßig, wenn der Tiegel während der thermischen Zersetzung rotiert, damit ist sicher gewährleistet, daß die-glas- bildende Schicht überall ihre gleichmäßige Dicke behält.
• Der beschriebene Beschichtungsprozeß kann in mehrfachen Arbeits-Zyklen wiederholt werden, damit können Glasfilme beliebiger Dicke bzw. Mehrfachglasfilme mit verschiedenartigen Einzelglasfilmen hergestellt werden.
• Sollen Glasfilme aus Mehrkomponentenglas hergestellt werden, so sind für jede Komponente einzelne Behälter 6, 7 vorgesehen (in der Figur sind nur zwei solche Behälter gezeichnet), diese Behälter nehmen Lösungen für die einzelnen Glaskomponenten auf. Uber Dosierventile 8, 9 werden diese Lösungen in den Vorratsbehälter 2 geleitet und dort, ggf. mit einem Rührer, homogenisiert. Anschließend wird die so hergestellte Mehrkomponentenlösung in den Tiegel eingeführt,wie es oben bereits beschrieben wurde.
• Sollen beispielsweise Lichtleitfasern mit parabolischem Verlauf des Brechungsindex hergestellt werden, so werden nacheinander verschiedenartige glasbildende Schichten abgeschieden, die zu Glasfilmen thermisch zersetzt werden. Dazu werden zur Bildung jeder Schicht im Vorratsbehälter 2 Lösungen unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt. Dementsprechend werden aus den Behältern 6, 7 unterschiedliche Mengen der Lösungen für die Einzelkomponenten in den Vorratsbehälter 2 eingeführt.
• Dabei ist es möglich, die genaue KonzentrationseinsteIlung der Lösung im Vorratsbehälter 2 über einen Programmgeber, der die Dosierventile 8, 9 steuert, automatisch einzustellen.
• Bei einem Ausführungsbeispiel wurde die Flüssigphase zur Beschichtung des Tiegels wie folgt hergestellt: 0,6 Mol Essigsäure werden in 60 ml Essigester gelöst, zu dieser Lösung werden in einem Rundkolben, der einen Rückflußkühler besitzt, 0,15 Mol SiC14 gegeben. Diese Mischung wird etwa 6 Stunden lang zum Sieden erhitzt. Nachdem sie abgekühlt ist, wird unter Durchleiten eines trockenen Stromes eines gereinigten Inertgases, z.B.
• Argon oder Sauerstoff, aus der Mischung eine weiße Kristallmasse abgeschieden. Nach dem Abscheiden wird die übrige Reaktionslösung abgegossen. Die Kristallmasse wird in einem Gemisch von 40 ml C2H50H und 60 ml CH3COOC2H5 gelöst. Diese Lösung kann zum Gebrauch noch verdünnt werden, z.B. mit dem Gemisch aus C2H50H und CH3COOC2H5, mit reinem C2H5OH, mit reinem CHDCOOC2H5 25 oder mit anderen niederen Alkoholen oder Estern, die höchstens 4 Kohlenstoffatome pro Molekül besitzen.
• Diese Lösung kann nun in den Vorratsbehälter 2 gegeben werden und danach in den Tiegel eingeführt werden. Die aus dieser Lösung auf dem Glasrohr abgeschiedenen Schichten bilden bei der thermischen Zersetzung hochreine, klareSi02-Schichten.
• Um den Brechungsindex der gebildeten Glas schichten variieren zu können, können dieser Lösung Zusatzlösungen zugesetzt werden.
• die z.B. Blei in einer Verbindung enthalten, die in der Flüssigphase löslich ist und bei der thermischen Zersetzung in Bleioxid (PbO) übergeführt wird.
• Diese Lösungen mit variablem Bleigehalt werden nun in die Behälter 6 und 7 eingefüllt. Durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse dieser Lösungen mit der Flüssigphase im Vorratsbehälter 2 kann ein vorgegebener Anteil an PbO in der herzustellenden Glasschicht eingestellt werden.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht also an der Innenwand des Tiegels ein Glashohlzylinder, der ggf. aus vielen Schichten mit verschiedenen Brechungsindices besteht.
• Bei der thermischen Zersetzung der einzelnen Schichten kann durch entsprechend lange Heizzeiten erreicht werden, daß durch Diffusion an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten anstatt einer abrupten Brechungsindexänderung ein kontinuierlicher Verlauf des Brechungsindex erreicht wird.
• Das Ziehen der Glasfaser kann in der folgenden Weise geschehen: Der Schmelztiegel wird zur Rotation gebracht und auf eine Temperatur erhitzt, bei der Glasfasern gezogen werdenkönnen.
• Aufgrund der Rotation des Tiegels verändern die einzelnen, nunmehr aufgeschmolzenen Glas schichten des aufgeschmolzenen Glaszylinders ihre Lage nicht. Nun kann direkt aus dem rotierenden Tiegel mittels eines Ziehdorns eine Glasfaser herausgezogen werden.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Schmelztiegel auf den Kopf zu stellen, und dann vom Tiegelrand her eine schmale ringförmige Zone zu erhitzen. Beim Erreichen der Ziehtemperatur wird dann kontinuierlich eine Faser abgezogen. Durch eine kontinulierliche Bewegung der Heizzone am Tiegel entlang wird nacheinander die gesamte Glasmasse auf Ziehtemperatur gebracht, so daß sie zur Faser abgezogen werden kann.
• Die weitere Verarbeitung der Faser erfolgt in bekannter Weise, z.B. ist es zweckmäßig, die Faser noch mit einem zusätzlichen Kunststoffmantel zu versehen.
• Vorteilhafterweise kann dieser Kunststoffmantel durch Abscheidung aus einer Flüssigphase, wie es eingangs für die Glasfaserherstellung beschrieben wurde, erfolgen. Dazu wird die Faser durch ein Bad gezogen, welches niEdere Polymere bzw.
• Monomere in einem Lösungsmittel enthält, die abgeschiedenen Polymere bzw. Monomere werden dann zur Polymerisation gebracht.
• 7 Patentansprüche 1 Figur

Claims (7)

1. Patentansprüche Verfahren zur HerstiLung von Lichtleitfasern, insbesondere zur Herstellung von Gradientenfasern, wobei in einen rotierenden, zylinderförmigen, heizbaren Schmelztiegel nacheinander Glasmassen mit ggf. verschiedenen Brechungsindices eingegeben werden, wobei auf der Tiegelinnenwand ein geschichteter Glaszylinder entsteht, und wobei danach aus dem Schmelztiegel eine Lichtleitfaser ausgezogen wird, nach Patent (P 26 14 631), dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung der Glasmassen auf der Innenwand des Tiegels (20) aus einer Flüssigphase glasbildende Schichten abgeschieden werden, während der Tiegel rotiert, und daß dann diese glasbildenden Schichten in Glasfilme umgewandelt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß als Flüssigphase eine Lösung vorgesehen wird, in der Verbindungen glasbildender Oxide mindestens eines der Elemente Se, Te7 P, As, Si, Ge, Sn, Pb, Ti, B, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb enthalten sind, und daß die aus diesen Lösungen abgeschiedenen glasbildenden Schichten durch thermische Zersetzung in Glasfilme umgewandelt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß für die Lösung als Lösungsmittel Ester niederer Alkohole mit niederen Karbonsäuren, niedere Ketone, niedere Alkohole, jeweils allein oder in Mischung miteinander, vorgesehen werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in den Lösungsmitteln Verbindungen der Mono-oder Dicarbonsäuren mit mindestens einem der Elemente Se, Te,Ti, P, As, Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb gelöst sind.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in dem Lösungsmittel Metallhologenide mindestens eines der Elemente-Se, Te; P, As, Si, Ge, Sn, Pb, B, Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Li, Na, K, Rb gelöst sind, wobei die Anionen dieser Halogenide teilweise durch Mono- oder Dicarbonsäurereste substituiert sind.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anionen zusätzlich teilweise durch Hydroxyl-und/oder Alkoholatreste niederer Alkohole substituiert sind.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die fertigen Fasern mit einer Kunststoffumhüllung versehen werden, und daß diese Kunststoffumhüllung durch Abscheidung aus einer weiteren Flüssigphase erzeugt wird.