DE29813318U1

DE29813318U1 - Optisches Bauteil

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Publication number: DE29813318U1
Application number: DE29813318U
Authority: DE
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2008-07-29
Also published as: US6289161B1

Description

Hanau, 28.07.1998 KS/Sta/P0093 1.SAM

Gebrauchsmusteranmeldung Heraeus Quarzglas GmbH Optisches Bauteil

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil, mit einem zylinderförmigen Kernglas aus synthetischem Quarzglas, das Hydroxylgruppen und maximal 200 Gew.-ppm Chlor, und keinen Dotierstoff in Form eines Metalloxides enthält, und das von einem Mantelglas aus dotiertem, eine kleinere Brechzahl als das Kernglas aufweisenden Quarzglas axial umhüllt wird.

Gegenstand der Erfindung kann beispielsweise eine optische Faser oder eine Vorform zur Herstellung einer optischen Faser sein. Eine Vorform mit einem Kern aus synthetischem Quarzglas mit geringem Chlorgehalt und eine daraus gezogene optische Faser ist beispielsweise in der US-A 4,650,511 beschrieben. Zum Zweck der Verbesserung der Langzeitstabilität der Faser in feuchter oder wasserstoffhaitiger Atmosphäre wird der Chlorgehalt des Kernglases gering gehalten. In einem Ausführungsbeispiel wird der Chlorgehalt auf 5 ppm und die Hydroxylgruppen-Konzentration des Kernglases auf 50 ppb eingestellt. Zur Erhöhung der Brechzahl ist das Kernglas mit Germaniumoxid dotiert. Die bekannte optische Faser zeichnet sich durch hohe Resistenz gegenüber der Einwirkung von Wasserstoff und Feuchtigkeit aus. Sie ist aber nur für die Übertragung von Licht bestimmter Wellenlängen uneingeschränkt geeignet, die von Absorptionsbanden, wie sie beispielsweise vom Dotierstoff Germaniumoxid verursacht werden, unbeeinflußt sind.

Ein gattungsgemäßes optisches Bauteil ist in der EP-A1 590 199 beschrieben. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Stufenindex-Faser mit einem Mantelglas aus Fluor- oder Bor-dotiertem Quarzglas, das ein Kernglas aus reinem, synthetischem Quarzglas umgibt. Das Kernglas ist im wesentlichen frei von Chlor, sein Hydroxylgruppen-Gehalt (OH-Gehalt) liegt zwischen und 1000 ppm, und es enthält Fluor in einer Konzentration im Bereich zwischen 50 und 5000 ppm, jedoch keine Dotierstoffe in Form von Metalloxiden, wie Germaniumoxid. Die bekannte optische Faser zeichnet sich durch hohe Beständigkeit gegenüber energiereicher UV-Strahlung aus.

Es ist bekannt, daß optische Fasern aus Quarzglas mit undotiertem Kern niedrige Dämpfungswerte aufweisen können. In der Veröffentlichung von Gotaro Tanaka et. al. in "Fiber and Integrated Optics", Vol. 7, Seiten 47-56 wird beispielsweise eine sogenannte Singlemode-Faser mit einem Kern aus reinem, undotiertem Quarzglas und mit einem Mantel aus fluordotiertem Quarzglas beschrieben. An der Faser wurden bei Lichtwellenlängen um 1,5 &mgr;&eegr;&eegr; Dämpfungswerte von weniger als 0,16 dB/km gemessen. Das theoretische Dämpfungsminimum bei derartigen optischen Fasern liegt sogar noch etwas unter diesem Meßwert. Für die Übertragung optischer Strahlung im Bereich der Spektroskopie sind jedoch weniger die absoluten Dämpfungsminima relevant; vielmehr wird eine niedrige Dämpfung über einen breiten Wellenlängenbereich, typischerweise von ca. 350 nm bis 1000 nm und sogar bis 2100 nm, verlangt. Derartige spektroskopische Anwendungen werden im folgenden unter dem Begriff "Breitbandspektroskopie" zusammengefaßt. Die bekannten optischen Fasern aus Quarzglas zeigen jedoch aufgrund molekularer Schwingungen der Hydroxylgruppen entweder Absorptionsbanden im infraroten Wellenlängenbereich, oder sie weisen im UV-Wellenlängenbereich Absorptionsbanden von molekularem Chlor oder aufgrund intrinsischer struktureller Defekte auf. Wegen solcher Absorptionen, entweder in dem einen oder in dem anderen Grenzbereich des relevanten Wellenlängenspektrums, sind die Einsatzmöglichkeiten von Quarzglasfasern in der Breitbandübertragung, insbesondere in der Breitbandspektroskopie bisher beschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein für die Breitbandübertragung, insbesondere für die Breitbandspektroskopie geeignetes, optische Bauteil aus Quarzglas anzugeben, das sich durch niedrige Dämpfung über einen breiten Wellenlängenbereich auszeichnet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem optischen Bauteil gemäß der angegebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kemglas weniger als 5 Gew.-ppm Hydroxylgruppen enthält.

Das Kernglas des erfindungsgemäßen optischen Bauteils zeichnet sich durch eine Merkmalskombination aus, die qualitativ als "niedriger Chlorgehalt" bei gleichzeitig "sehr niedrigem OH-Gehalt" und "Freiheit von metallischen Dotierstoffen" charakterisiert werden kann. In synthetischem Quarzglas sind Chlorgehalt und OH-Gehalt jedoch üblicherweise in der Art korreliert, daß ein niedriger Clorgehalt mit einem hohen OH-Gehalt einhergeht, und umgekehrt, ein niedriger OH-Gehalt einen hohen Chlorgehalt nach sich zieht. Diese Korrelation ist auf die Herstellungsbedingungen für synthetisches Quarzglas zurückzuführen. Denn die hierfür in der Regel eingesetzten Flammhydrolyseverfahren oder Sol-Gel-Verfahren ergeben Zwischenprodukte

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mit vergleichsweise hohem OH-Gehalt. Eine besonders wirksame Methode zur Verminderung des OH-Gehaltes besteht darin, das OH-beladene Quarzglas mit Chlor oder chlorhaltigen Substanzen zu behandeln. Diese Behandlung bewirkt jedoch einen Einbau von Chlor in das synthetisches Quarzglas.

Vor diesem Hintergrund ist verständlich, daß synthetisches Quarzglas, das gleichzeitig chlorarm und OH-arm bzw. sogar OH-frei ist, nicht ohne weiteres verfügbar ist. Für die Reduzierung des OH-Gehaltes kommen alternativ oder ergänzend zu der üblichen Behandlung in chlorhaltiger Atmosphäre jedoch noch andere Verfahren in Betracht, wie beispielsweise eine Behandlung in fluorhaltiger Atmosphäre, oder ein nachträgliches Entfernen von Chlor aus dem Zwischenprodukt durch eine Temperatur-, Vakuum- oder Gasbehandlung. Überraschenderweise zeigte sich, daß synthetisches Quarzglas, das einen Chlorgehalt von höchstens 200 Gew.-ppm und gleichzeitig einen OH-Gehalt von weniger als 5 Gew.-ppm aufweist, und das frei von metallischen Dotierstoffen ist, hervorragend als Kernglas für ein optisches Bauteil zum Einsatz in der Breitbandspektroskopie geeignet ist. Denn ein derartiges synthetisches Quarzglas zeichnet sich durch einen gegenüber den bekannten Quarzgläsern erweiterten Spektralbereich mit geringer Absorption aus. Darüberhinaus gewährleistet das erfindungsgemäße Bauteil eine im wesentlichen "farbechte" Übertragung optischer Strahlung, das heißt ohne Verfremdung des übertragenen Wellenlängenspektrums. Dies ist bei einem Einsatz des optischen Bauteils in der Spektroskopie von Bedeutung, wenn Realitätsnähe über einen breiten Wellenlängenbereich erforderlich ist, wie beispielsweise in der Astronomie. Die Absorption des erfindungsgemäßen optischen Bauteils im UV-Bereich ist in Richtung kürzerer Wellenlängen verschoben, was auf den vergleichsweise geringen Chlorgehalt zurückzuführen ist. Aufgrund des geringen OH-Gehaltes ist die Absorption im infraroten Spektralbereich in Richtung längerer Wellenlängen verschoben. Darüberhinaus sind Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich von etwa 700 nm bis 2700 nm, die eine "farbechte" Übertragung beeinträchtigen können, entweder schwach ausgebildet oder überhaupt nicht vorhanden.

Für die Eignung zur Breitbandübertragung ist der Wellenlängenbereich zwischen 350 und 2100 nm relevant. Für die Anwendung in der Breitbandspektroskopie liegt das optische Bauteil üblicherweise in Form einer sogenannten Multimode-Faser mit Stufenindex-Profil vor. Das Kernglas ist frei von metallischen Dotierstoffen, die Absorptionsbanden im relevanten Wellenlängebereich aufweisen. Das Quarzglas des Mantelglases ist mit Dotierstoffen versehen, wie Fluor und/oder Bor, die den Brechungsindex von Quarzglas senken.

Die oben genannten Konzentrationsangaben beziehen sich auf einen über den Durchmesser des Kernglases gemittelten Wert. Der OH-Gehalt wird spektroskopisch anhand der Absorptionsverluste, und die Konzentrationen von Chlor und Fluor durch chemische Analyse ermittelt.

Eine zusätzliche Verbesserung hinsichtlich der Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Bauteils für die Breitbandübertragung, insbesondere in der Breitbandspektroskopie wird erreicht, wenn das Kernglas weniger als 1 Gew.-ppm Hydrolgruppen enthält. Die Bildübertragung beeinträchtigende, verfälschende Absorptionen des Kernglases, insbesondere im infraroten Spektralbereich von etwa 700 nm bis 2700 nm, werden dadurch weiter verringert.

Im Hinblick auf eine Breitband-Anwendung des optischen Bauteils hat sich auch bewährt, den Chlorgehalt des Kernglases auf höchstens 100 Gew.-ppm zu beschränken. Diese Maßnahme wirkt insbesondere im ultravioletten Spektralbereich absorptionsvermindemd.

Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Bauteils, bei dem das Kernglas Fluor enthält, wobei der Fluorgehalt mindestens 2000 Gew.-ppm beträgt.

Bevorzugt wird aber ein Fluorgehalt des Kernglases im Bereich zwischen 5000 Gew.-ppm und 15.000 Gew.-ppm. Diese Maßnahme verbessert die Gammastrahlenbeständigkeit des Kernglases, so daß diese Variante des erfindungsgemäßen optischen Bauteil auch für eine Anwendung geeignet ist, bei der es energiereichen Gammastrahlen ausgesetzt ist, beispielsweise in Kernkraftwerken. Besonders gute Ergebnisse in dieser Hinsicht werden mit einem Kernglas mit einem Fluorgehalt im Bereich mindestens 6000 Gew.-ppm bis 10.000 Gw.-ppm erzielt.

Als besonders geeignet hat sich ein optisches Bauteil erwiesen, bei dem das Mantelglas Fluor in einer Konzentration im Bereich zwischen 3 Gew.-% und 5 Gew.-% enthält. Fluor senkt die Brechzahl von Quarzglas. Ein Mantelglas mit einer derartig hohen Fluor-Konzentation ermöglicht die Herstellung einer optischen Faser mit hoher numerischer Apertur, was für die Anwendung der Faser in der Breitbandspektroskopie besonders vorteilhaft ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen

Figur 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß ausgebildete optische Stufenindex- und Multimode-Faser in einem radialen Querschnitt, und

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Figur 2 Dämpfungsspektren einer erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Multimode-Faser und zweier Vergleichsfasern im Wellenlängenbereich von 350 bis 2100 nm.

In der Figur 1 ist die Bezugsziffer 1 einer Faser insgesamt zugeordnet, die für einen Einsatz in der Breitbandspektroskopie vorgesehen ist. Hierzu werden eine Vielzahl gleichartiger Faser zu einem Faserbündel zusammengefaßt. Die einzelne Faser 1 besteht aus einem Kern 4, aus einem den Kern 4 axial umhüllenden und mit diesem eine gemeinsame Grenzfläche aufweisenden Mantel 5 und aus einer Schutzschicht 6, die die Oberfläche der Faser 1 bildet, und die aus einem Polymer besteht.

Die Darstellung in Figur 1 ist nicht maßstabsgetreu. Der Durchmesser des Faser-Kerns 4 beträgt ca. 200 pm, der Außendurchmesser des Mantels 5 ca. 220 &mgr;&eegr;&igr;, und die Schutzschicht 6 hat eine Dicke von ca. 100 pm.

Der Faser-Kern 4 besteht aus reinem, synthetischem Quarzglas, das über den Durchmesser des Kerns 4 gleichmäßig verteilt 1 Gew.-ppm OH, ca. 150 Gew.-ppm Chlor und etwa 2500 Gew.-ppm Fluor enthält.

Als Mantel 5 ist fluordotiertes Quarzglas eingesetzt. Die Fluordotierung bewirkt eine Brechzahlabsenkung relativ zum Kernglas von 1,7x10² ; das entspricht einer Fluorkonzentration von etwa 5 Gew.-%. Die numerische Apertur der Faser 1 beträgt ca. 0.22.

Da - abgesehen von den Hydroxylgruppen sowie Fluor und Chlor - für den Kern 4 reines Quarzglas verwendet wird, sind mit der Multimode-Faser 1 niedrige Dämpfungswerte über den für die Breitbandübertragung relevanten Wellenlängenbereich erzielbar. Duch den niedrigen Chlorgehalt werden durch molekulares Chlor verursachte Absorptionsbanden im relevanten Wellenlängespektrum vollständig oder wenigstens teilweise vermieden. Bei der erfindungsgemäßen Faser 1 treten aber auch solche Absorptionsbanden nicht auf, wie sie bei der eingangs beschriebenen, bekannten Faser, aufgrund von Dotierungen mit Metalloxiden, wie Germanium, hervorgerufen werden. Die zur Erzielung der Lichtwellenleitereigenschaft erforderliche Brechzahlabsenkung gegenüber dem reinen Kernglas wird durch die Fluordotierung des Mantels 5 erreicht. Wesentlich im Hinblick auf die besondere Anwendung der Faser 1 in der Breitbandspektroskopie ist aber eine hohe Transmission über einen großen Wellenlängenbereich, nämlich von ca. 350 nm bis ca. 2100 nm, bei gleichzeitig möglichst geringer Veränderung des Signalspektrums. Das letztgenannte Erforderniss wird insbesondere durch den sehr geringen OH-Gehalt des Kerns 4 von 1 Gew.-ppm erreicht.

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Im folgenden wird die Herstellung der in Figur 1 schematisch dargestellten Faser beschrieben: Die Faser 1 wird aus einer Vorform gezogen. Zur Herstellung der Vorform werden in bekannter Art und Weise mittels Flammhydrolyse von SiCI₄ SiO₂-Partikel auf einem rotierenden Träger abgeschieden. Der sich dabei bildende poröse Rohling weist einen OH-Gehalt von ca. 500 ppm auf. Zur Reduzierung des OH-Gehaltes wird der Rohling 1,5 Stunden in einer Helium-Atmosphäre, der 0,5 Vol.-% SOF₂ beigemischt sind, behandelt. Diese.Behandlung dient zur Entfernung von Chlor und zum Dotieren des Kernmaterials mit Fluor. Nach dem Abkühlen des Rohlings wird er in einem Sinterofen bei 1600 ⁰C zu einem Hohlzylinder verglast.

Der verglaste Hohlzylinder weist danach einen OH-Gehalt von weniger als 1 Gew.-ppm, einen Chlor-Gehalt von maximal 200 Gew.-ppm und einen Fluor-Gehalt von ca. 4000 Gew.-ppm auf.

Durch Kollabieren wird aus dem Rohling ein Kernstab hergestellt auf dessen Zylindermantelfläche anschließend in einem Plasma-Beschichtungsverfahren eine mit Fluor dotierte SiO₂-Mantelglasschicht abgeschieden wird. Das entsprechende Abscheideverfahren ist in der US-PS 4,162,908 beschrieben. Der Fluorgehalt des Mantelglases wird dabei auf ca. 5 Gew.-% eingestellt.

Die Vorform wird anschließend zu der Faser 1 mit den oben genannten Außenabmessungen gezogen, wobei die Schutzschicht 6 aufgebracht wird.

Auf ähnliche Art und Weise wurden zwei Vergleichsfasern 2 und 3 hergestellt, die sich lediglich hinsichtlich ihrer Kernglas-Zuammensetzungen von dem der Faser 1 unterscheiden. Aus Tabelle 1 sind die gemessenen Konzentrationsangaben für die Kerngläser der Fasern 1, 2 und 3 in bezug auf OH, Chlor und Fluor zu entnehmen:

Tabelle 1

Faser- Nummer	OH-Gehalt [Gew.-ppm]	Chlorgehalt [Gew.-ppm]	Fluorgehalt [Gew.-ppm]
1	1	150	2.500
2	7	180	4.000
3	1	2.000	-

: &igr;

• ·<

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In Figur 2 ist für die Fasern 1, 2 und 3 die Dämpfung &agr; (in dB/km) über die Wellenlänge &lgr; (in nm) dargestellt. Aus dem Dämpfungsverlauf der erfindungsgemäß ausgebildeten Faser 1 ist im Vergleich zu den beiden anderen Fasern 2 und 3 folgendes zu entnehmen:

■ Die UV-Absorptionskante 1' der Faser 1 ist im Vergleich zur UV-Absorptionskante 3' der Faser 3 deutlich zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben und in etwa vergleichbar mit der UV-Absorptionkante 2' der Faser 2. Diese Eigenschaft der Faser 1 kann auf den vergleichsweise geringen Chlorgehalt des Faser-Kerns 4 zurückgeführt werden.

■ Die Absorption 1" der Faser 1 im infraroten Wellenlängenbereich setzt erst oberhalb von etwa 1800 nm ein. Von den in Figur 2 dargestellten Dämpfungsspektren zeigt Faser 1 die niedrigste Absorption 1" im infraroten Wellenlängenbereich bis ca. 2100 nm. Besonders auffällig ist der Unterschied gegenüber der Absorption 2" der Faser 2 in diesem Wellenlängenbereich. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Faser 1 ist auf den besonders niedrigen OH-Gehalt des Faser-Kerns 4 zurückzuführen.

■ Eine weitere wesentliche Eigenschaft der erfindungsgemäßen Faser 1 ergibt sich beim Vergleich mit dem Dämpfungsspektrum der Faser 2 im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1600 nm. Obwohl Faser 2 mit 7 Gew.-ppm einen relativ niedrigen OH-Gehalt aufweist, zeigt sie dennoch deutliche Absorptionsbanden 2", die auf OH-Schwingungen zurückzuführen sind. Demgegenüber ist bei Faser 1 in diesem Wellenlängenbereich lediglich eine kleinere Absorptionsbande 1'" bei ca. 1385 nm erkennbar (in der Darstellung von Figur 2 liegen die Dämpfungskurven der Fasern 1 und 3 in diesem Wellenlängenbereich übereinander). Die geringe Absorption der erfindungsgemäßen Faser 1 gewährleistet, daß ein besonders breitbandiges Spektrum übertragen werden kann, und zwar ohne Verfälschung des Spektrums. Diese Eigenschaft trägt zur Eignung der erfindungsgemäßen Faser 1 für eine realitätsnahe Bildübertragung bei.

Die erfindungsgemäße Faser 1 zeichnet sich somit durch geringe Absorption sowohl innerhalb, als auch an den Grenzbereichen des anwendungsrelevanten Wellenlängenspektrums aus. Sie ist daher vorallem für einen Einsatz in der Breitbandspektroskopie geeignet.

Das erfindungsgemäße optische Bauteil ist auch für die Lichtübertragung unter Gammastrahlung, wie sie z.B. in einem Kernkraftwerk auftritt, besonders gut geeignet. Um dies zu zeigen wurden zwei optischer Lichtwellenleiter analog Faser 1 hergestellt. Im Unterschied zu Faser 1 wurde der Kern des einen Lichtwellenleiters mit 7000 Gew.-ppm Fluor dotiert, während der

Kem des anderen Lichtwellenleiters - wie Faser 1- einen Fluor-Gehalt von 4000 Gew.-ppm aufwies.

Nachdem jeweils ihre Dämpfung bei einer Wellenlänge von 865 nm gemessen worden war, wurden beide Lichtwellenleiter einer Gamma-Bestrahlung mit einer Dosis von 1Mrad ausgesetzt. Anschließend wurde die durch die Strahlung induzierte Dämpfung bestimmt. Es zeigt sich daß bei dem Lichtwellenleiter mit dem höher Fluor-dotierten Kern die strahlungsinduzierte Dämpfung mit 5dB/km deutlich geringer ausfiel als in dem anderen Lichtwellenleiter.

Claims

1. Optisches Bauteil, mit einem zylinderförmigen Kernglas aus synthetischem Quarzglas, das Hydroxylgruppen, maximal 200 Gew.-ppm Chlor, und keinen Dotierstoff in Form eines Metalloxides enthält, und mit einem das Kernglas axial umhüllenden Mantelglas aus dotiertem, eine kleinere Brechzahl als das Kernglas aufweisenden Quarzglas, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas weniger als 5 Gew.-ppm Hydroxylgruppen enthält.

2. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas weniger als 1 Gew.-ppm Hydroxylgruppen enthält.

3. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chlorgehalt des Kernglases höchstens 100 Gew.-ppm beträgt.

4. Optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernglas Fluor enthält, wobei der Fluorgehalt mindestens 2000 Gew.-ppm beträgt.

5. Optisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluorgehalt des Kernglases im Bereich zwischen 5000 Gew.-ppm und 10.000 Gew.-ppm beträgt.

6. Optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelglas Fluor in einer Konzentration im Bereich zwischen 3 Gew.-% und 5 Gew.-% enthält.