CH641427A5 - Verfahren zur herstellung einer monomode-lichtleitfaser mit elliptischem kernquerschnitt. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung einer dämpfungsarmen Monomode-Lichtleitfaser mit einem praktisch ellipsenförmigen Kernteil (30), gekennzeichnet durch die Schritte: Reinigen, Trocknen und Polieren eines Substratrohres (10) aus geschmolzenem Siliciumdioxid; Niederschlagen einer Grenzschicht (12) aus praktisch reinem Siliciumdioxid auf die Innenwand dieses Rohres, Niederschlagen einer Mantelschicht (14) auf die genannte Grenzschicht, und Niederschlagen einer Kernschicht (16) auf die Mantelschicht, wobei jede der genannten Schichten durch einen chemischen Niederschlagsprozess aus der Dampfphase durchgeführt wird, während sich das Rohr dreht und dabei einer sich entlang der Rohr-Längsachse fortbewegenden heissen Zone ausgesetzt wird, welche eine derartige Temperatur erzeugt, dass jedes die Schichten bildende Material reagiert und sich als Glas niederschlägt; weiter gekennzeichnet durch die Schritte: Aussetzen von nur einer Seite des genannten Rohres einer Wärmequelle (24), deren Temperatur hinreichend ist für ein partielles Zusammenfallen des beschichteten Rohres auf dieser einen Seite, wobei die genannte Innenwand beschichteten Rohres einem Unterdruck ausgesetzt ist und die Wärmequelle (24) sich fortbewegt, um diese eine Seite des Rohres partiell zum Zusammenfallen zu bringen (Fig. 2); Aussetzen der entgegengesetzten Seite des Rohres der Wärmequelle, um ein partielles Zusammenfallen dieser entgegengesetzten Seite gefolgt von einem Wandern der Wärmequelle längs der entgegengesetzten Seite zu bewirken (Fig. 3); Drehen des partiell zusammengefallenen Rohres und Aussetzen desselben einer sich fortbewegenden Wärmequelle mit hinreichender Temperatur, um das partiell zusammengefallene Rohr zu einem Lichtleitfaser-Rohling (26) vollkommen zusammenfallen zu lassen, welcher Rohling einen elliptischen Kernteil (25) aufweist; und Herunterziehen dieses Faserrohlings in eine Lichtleitfaser (28), welche einen ellipsenförmigen Kern (30) aufweist, der geeignet ist für die Übertragung von polarisiert einfallendem Licht durch diesen Kern.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dämpfungsarmen Monomode-Lichtleitfaser mit einem praktisch ellipsenförmigen Kernteil.

Bei der Verwendung von Monomode-Lichleitfasern für die Informationsübertragung mit grosser Bandbreite oder für Anwendungen mit Phasenmodulation ist es wünschenswert, die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes festzuhalten oder die Polarisation von unpolarisiertem Licht zu erzwingen. Eine Monomode-Lichtleitfaser mit elliptischem Kern hält die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes.

Monomode-Lichtleitfasern mit geringer Dämpfung werden vorzugsweise in bestimmten Anwendungen benützt, so z.B. bei Sonar-Detektoren, Anpasselementen, insbesondere für die Anpassung von Lichtleitfasern an integrierte optische Vorrichtungen, welche flachpolarisiertes Licht verwenden und dann insbesondere bei Übertragungsanlagen mit hoher Datenrate.

Es ist bekannt, dass für die obenerwähnte Anwendung Monomode-Lichtleitfasern entweder erforderlich oder mindestens erwünscht sind. Bis heute bestand das Problem, ein Herstellungsverfahren für eine dämpfungsarme Monomode-Lichtleitfaser zu entwickeln, welche Faser entweder die Polarisation des polarisierten Lichtes aufrecht hält oder infolge ihrer Geometrie die Polarisierung von unpolarisiertem Licht erzwingt.

Auf diesem Gebiet sind verschiedene Artikel erschienen, welche sich generell mit dem Effekt der Elliptizität des Faserkerns befassen. Sie haben die magneto-optischen Eigenschaften von Gradientenfasern, die verzögerte Verzerrung in optischen Wellenleitern wegen geringen elliptischen Deformationen des Querschnitts, die linearen und zirkulären, von der Länge der

Faser abhängigen Doppelbrechungs-Eigenschaften von dämpfungsarmen Monomode-Lichtleitfasern untersucht, sie haben den Einfluss eines nicht kreisförmigen Kerns und die Polarisationsgüte von Monomode-Fasern und die Polarisationseffekte in kurzen Abschnitten von Monomode-Fasern geprüft. Ergebnisse dieser Untersuchungen können in den nachfolgenden Publikationen gefunden werden:

1. Harms, H.,A., andKempter, «Magneto-optical Properties of Index Gradient Optical Fibers». App. Optics, 15 2 pp 799-801, 1976.

2. Schlosser, W.O., «Delay Distorsion of Weakly Guiding Optical Fibers Due to Elliptic Deformation of Boundary». B.S.T.J., 51, 2 pp 487-492, 1972.

3. Kapron, F.P., Borelli, N.F. and Keck, D.B. «Birefingen-ce in Dielectric Optical Waveguides». IEEE Jornal of Quantum Electronics QE. 8, 2, pp 222-225, 1972.

4. Ramaswamy, V. and W.G. French, «Influence of Non-circular Core on the Polarization Performance of Single Mode Fibres», Electronics Letters, 14, 5, pp 143-144, 1978.

5. Ramaswamy, V., Standley, R.D., Sze, D., and French, W.G. «Polarization Effects in Short Length, Single Mode Fibers», B.S.T.J. 57, 3, pp 635-651, 1978.

Keine der obigen Publikationen gibt eine Lehre über ein wirksames, reproduzierbares Verfahren zur Herstellung einer polarisierenden dämpfungsarmen Monomode-Lichtleitfaser.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Monomode-Lichtleitfaser mit elliptischem Kern anzugeben.

Diese Aufgabe wird in einem solchen Verfahren, bei dem ein mehrlagig beschichtetes Rohr mit mindestens einer Substratschicht, einer Mantelschicht und einer Kernschicht verwendet wird, gemäss Kennzeichnung des Patentanspruchs 1 gelöst. Dazu wird in bevorzugter Ausführungsart zunächst ein Siliciumdioxid-Substratrohr vorbehandelt, um Verunreinigungen, welche auf der Innen- oder Aussenseite des Rohrs vorhanden sein können zu entfernen. Das Rohr wird dann innen und aussen feuerpoliert, wobei das Innere unter positivem Druck ist, um es auszuglätten und die Feuchtigkeit aus der Bohrung des Rohres zu entfernen. Dies wird erreicht durch Befestigung des Substratrohres auf einem Drehteller, wobei bei der Durchführung des Feuerpolierens auf der Innen- und Aussenseite im Innern des Rohres ein positiver Druck gehalten wird. Bei drehendem Rohr wird eine Grenzschicht von Sliciumdioxid in der Bohrung niedergeschlagen, indem man eine Mischung aus trockenem SÌCI4 + 02 durchlaufen läst, während das Rohr durch eine sich verschiebende Sauerstoff-Wasserstoffflamme erhitzt wird, um in der Bohrung des Rohres eine glasige Trennschicht von z.B. 2 iJ.m Dicke zu erzeugen, wobei bei jedem Durchgang eine Schicht von 1 /tm erzeugt wird.

Nachdem die Trennschicht aus reinem Siliciumdioxid niedergeschlagen wurde, wird eine Mantelschicht aus mit Phos-phorpentoxid (P2O5) dotiertem Borsilikatglas in ungefähr 50 Durchgängen niedergeschlagen, um 50 Schichten zu erzeugen für eine Mantelschichtdicke von ungefähr 1 mm. Darauf folgt der Niederschlag der Kernzusammensetzung, was später im Detail beschrieben wird. Während dieses Zeitabschnittes, beginnend mit der Montage des Rohres auf dem Drehteller bis zum Abschluss des Niederschlags der Kernschicht, wird das Rohr durch den Drehteller gedreht und die Flamme oder die Wärmequelle wird von einem Ende des Rohres zum andern bewegt.

Als nächster Schritt beginnt ein neuer Prozess zum Zusammenfallenlassen des Rohres, um einen Faserrohling zu erhalten, welcher für die Erzeugung einer Monomode-Lichtleitfaser mit elliptischem Kern verwendet werden kann. Zuerst wird das Innere des Rohres einem Teilvakuum unterworfen und die Drehung des Drehtellers wird angehalten. Eine Seite des Rohres wird der Hitze z.B. einer Sauerstoff-Wasserstoffflamme ausgesetzt, so dass die Hitze konzentriert ist an der Berührungsstelle

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zwischen der Hitzequelle und der dieser am nächsten liegenden Seite des Rohres. Die Hitzequelle ist so ausgelegt, dass im Bereich des Rohres, welcher am nächsten dabei ist, die Kollabiertemperatur erreicht wird, worauf die Flamme oder die Hitzequelle längs verschoben wird mit einer Geschwindigkeit, die ein partielles Zusammenfallen auf einer Seite des Rohres erlaubt, bis das gewünschte beträchtliche Zusammenfallen über die ganze Länge des Rohres auf einer Seite erreicht ist. Nun wird das Rohr um 180° gedreht und die Gegenseite wird der Wirkung der Hitzequelle ausgesetzt, um den gewünschten Grad von partiellem Zusammenfallen zu erreichen.

Wenn einmal die beiden Seiten des Rohres partiell kollabiert sind, wird der Drehteller wieder in Drehung versetzt, um das partiell zusammengefallene Rohr zu drehen und es wird so Hitze zugeführt, dass der ganze Umfang des Rohres erwärmt wird, um ein vollständiges Zusammenfallen der Bohrung zu erreichen und um einen zylindrisch geformten Faserrohling mit einem elliptisch geformten Kern zu erhalten. Vorteilhafterweise werden die Bedingungen für das partielle Zusammenfallen mit der Zusammensetzung der Kern- und Mantelschichten verknüpft, um einen Monomodekern mit im wesentlichen elliptischem Querschnitt zu erhalten, in welchem das Achsenverhältnis ungefähr 2 : 1 ist.

Der nächste Schritt ist dann das Herunterziehen der Faser in üblicher Art, um eine Monomode-Lichtleitfaser zu erhalten, welche einen im wesentlichen elliptisch geformten Kern aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

die Fig. 1 einen Querschnitt eines beschichteten Substratrohres, das die allgemeine Form des Startschrittes des erfindungs-gemässen Verfahrens ist;

die Fig. 2 den Querschnitt eines beschichteten Substratrohres zur Veranschaulichung des Effektes, welcher eintritt, wenn eine Seite eines solchen Rohres einer Hitzequelle ausgesetzt wird, um ein teilweises Zusammenfallen der Bohrung auf dieser Seite zu erzeugen;

die Fig. 3 einen Querschnitt zur Darstellung der Wirkung des nächsten Schrittes, in welchem die gegenüberliegende Seite auf die Zusammenfalltemperatur gebracht wird;

die Fig. 4 einen Querschnitt eines fertigen zylindrischen Faserrohlings nach dem Zusammenfallen; und die Fig. 5 einen Querschnitt ähnlich Fig. 4.

In Fig. 1 ist das resultierende Zwischenprodukt gezeigt, das durch Wahl und Vorbereitung eines rohrförmigen Substrates 10 entstanden ist, auf welches eine praktisch reine Siliciumdioxid Grenzschicht 12 aufgebracht wurde. Die Grenzschicht 12 ist relativ dünn und ist in der Darstellung lediglich als Linie gezeigt. Es ist klar, dass die Figuren keinen Anspruch auf Genauigkeit bezüglich Dimensionen erheben, sondern eher dargestellt sind, um die Merkmale der Erfindung klar ersichtlich werden zu lassen.

Auf das Aufbringen der Grenzschicht 12, einer glasförmigen dünnen Schicht von z.B. Siliciumdioxid, folgt der Niederschlag einer relativ dicken Mantelschicht 14 unter Verwendung eines Verfahrens, das dem Fachmann als chemisches Niederschlagsverfahren aus der Dampfphase bekannt ist, in englicher Fachliteratur auch als MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapor Déposition) bezeichnet. (Hierzu siehe US-Patent 4 217 027 sowie Kanadische Patente 1 054 795 und 1 066 570.) Ein bevorzugtes Material für die Mantelschicht ist ein Borsilikatglas, das mit Phosphorpentoxid (P2O5) dotiert ist. Die Mantelschicht wird unter Verwendung des erwähnten Verfahrens aufgebracht, indem das Substrat 10 in Drehung versetzt wird und eine Hitzequelle oder Flamme von hinreichender Temperatür darüberstreicht, um zu bewirken, dass die reagierenden Materialien in Dampfphase sich als das gewünschte Mantelschichtmaterial in Form einer Glasschicht ablagern. Nachfolgend wird die Kernschicht in gleicher Weise auf der Innenseite der Bohrung 20 auf die Oberfläche der Mantelschicht 14 niedergeschlagen. Als Ergebnis entsteht ein mehrlagig beschichtetes Substratrohr 10 mit einer Grenzschicht 12, einer Mantelschicht 14 und einer Kern-5 schicht 16 in der Bohrung 20.

Die Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit der Einleitung des erfin-dungsgemässen Zusammenfallschrittes, um einen einen elliptisch geformten Kernteil 25 aufweisenden Faserrohling 26 zu erhalten. In Fig. 2 tritt aus einer Düse 22 eines nichtgezeigten 10 Sauerstoff-Wasserstoffbrenners eine Sauerstoff-Wasserstoffflamme 24 aus, welche auf eine Seite der in Fig. 1 gezeigten Struktur gerichtet ist. Die normale Drehbewegung des beschichteten Rohres nach Fig. 1 wird gestoppt; das beschichtete Rohr dreht sich also nicht. Hierbei ist zu bemerken, dass während 15 des Niederschlagprozesses zu Bildung der Grenz- 12, der Mantel-14 und der Kernschicht 16 das Substratrohr 10 auf einer Glasdrehbank gedreht wird, um einen gleichmässigen Niederschlag der verschiedenen Schichten in der Bohrung 20 zu erhalten. Gleicherweise wird während des Niederschlagvorganges 20 eine Sauerstoff-Wasserstoffflamme oder eine andere Wärmequelle verwendet, so dass der ganze Umfang des Substrates 10 einer genügend hohen Temperatur ausgesetzt ist, um aus den Reagenzien in Dampfform innerhalb der Bohrung eine glasähnliche Grenz-12, Mantel-14 und Kernschicht 16 entstehen zu 25 lassen.

In Vorbereitung für den in Fig. 2 gezeigten Schritt wird die Drehung des Substratrohres 10 angehalten und die Bohrung 20 einem Unterdruck ausgesetzt. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass nur noch eine Seite der in Fig. 1 gezeigten Struktur der 30 Hitze ausgesetzt ist. Das Verschieben der Düse 22 wird vorübergehend angehalten, bis die in Fig. 1 gezeigte Struktur auf der der Flamme 24 benachbarten Seite eine Temperatur erreicht, bei welcher die gewünschte Bedingung für einen bedeutsameren Zusammenfall erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der schichtförmige Aufbau gemäss Fig. 1 wegen der Oberflächenspannung und der Eigenschaften der Mantel- und Kernschichten 14 und 16 die in Fig. 2 gezeigte abgeflachte Konfiguration ein und zwar dort, wo das Rohr der Wärmequelle oder Flamme 24 ausgesetzt ist. Nun wird die Düse 22 entlang der Längsachse des Aufbaus geführt, um ein gleichmässiges Zusammenfallen längs der Länge des Rohres zu erreichen.

Wenn dieser Grad von Zusammenfallen auf einer Seite des schichtförmigen Aufbaus erreicht ist, wird das Rohr oder Substrat 10 um 180° gedreht und die gleiche Kombination von Düse 22 und Flamme 24 wirkt auf die entgegengesetzte Seite des Aufbaus ein. Oder es wird statt der Drehung eine ähnliche Düse 22 mit einer Flamme 24 gezündet und auf die entgegengesetzte Seite des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus gerichtet. In beiden Fällen wird der Aufbau nun auf der der zusammengefallenen Seite gegenüberliegenden Seite erwärmt, bis auch hier die Bedingung für das Zusammenfallen erreicht ist, worauf die Wärmequelle 24 längs dem Aufbau geführt wird, um ein gleichmässiges Zusammenfallen auf der noch nicht zusammengefallenen Seite des Substratrohres 10 und dessen niedergeschlagenen Schichten 12, 55 14 und 16 zu erreichen. Es wäre auch möglich, beide Seiten gleichzeitig teilweise zusammenfallen zu lassen. Das Resultat des in Fig. 2 und 3 nicht massstäblich gezeigten Vorganges besteht darin, dass die Struktur weiterhin eine Bohrung 20 aufweist und dass die veschiedenen Schichten eine etwas elliptische 60 Form aufweisen, vorzugsweise so, dass mindestens die Kernschicht 16 einen elliptischen Querschnitt hat, mit einem Hauptachsen-Längenverhältnis von 2:1.

Nach Abschluss der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schritte wird die in Fig. 3 gezeigte Struktur des beschichteten Rohres ei-65 nem Kollabierschritt unterworfen, um die Bohrung 20 zu eliminieren und einen zylinderförmigen Faserrohling 26, siehe Fig. 4, mit einem praktisch elliptischen Kern 25 zu erzeugen. Der letzterwähnte Kollabierschritt schliesst die Anwendung von Hitze

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auf die in Fig. 3 gezeigte, sich drehende Struktur ein, ebenso das Verschieben einer Wärmequelle während der Drehungen der Struktur in einem Glasdrehbank, so dass ein zylinderförmiger Faserrohling 26 gebildet wird. Es ist zu bemerken, dass die verschiedenen Schichten 10, 12, 14 und 16 in den Fig. 2 bis 5 durch Schraffieren hervorgehoben werden könnten, dass es aber für die Zwecke der Darstellung genügt zu wissen, dass der in Fig. 4 gezeige Rohling 26 aus einer äussern konzentrischen Schicht, gebildet aus dem Substrat, besteht, weiter aus einer Grenzschicht, die durch eine Linie oder einen konzentrischen Kreis dargestellt ist, gefolgt von der Mantelschicht, welche den elliptischen Kern 25 umgibt.

Nach Abschluss der Herstellung des Faserrohlings 26 werden bekannte Faserziehtechniken angewendet, um eine Lichtleitfaser 28 zu erzeugen, welche einen elliptisch geformten Kern 30 besitzt. Es ist wiederum zu bemerken, dass Fig. 5 nicht massstäblich gezeichnet ist, sondern dass es darum ging, die relative Änderung im Querschnitt des Rohlings 26 und der fertigen Faser 28 zu zeigen.

Es folgt nun eine Beschreibung eines spezifischen Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, um eine Monomode-Lichtleitfaser mit einem elliptischen Kern 30 zu erzeugen, die geeignet ist, die Polarisationsebene des angelegten polarisierten Lichtes aufrecht zu erhalten oder die Polarisation von angelegtem nichtpolarisiertem Licht zu erzwingen.

Es wird ein Rohr 10 aus geschmolzenem Siliciumdioxid ausgewählt, z.B. ein Rohr «AmersilWG», welches einen Aus-sendurchmesser von 15mm, einen Innendurchmesser von 13 mm und eine Länge von ungefähr 15 cm aufweist. Das Rohr 10 wird für den Niederschlagprozess vorbereitet, indem es mit einer Mischung von 50:50 von Fluss- und Salpetersäure geätzt wird, um restliche Verunreinigungen zu entfernen. Weiter wird das Rohr mit Methanol gereinigt, gefolgt von einer Trocknung des gereinigten Rohres mit trockenem Stickstoffgas. Als nächstes wird das Substrat 10 auf dem Glasdrehbank montiert und gedreht. Dann wird das Substrat 10 und dessen Bohrung 20 auf der Innenseite und auf der Aussenseite feuerpoliert, wobei gleichzeitig auf der Innenseite des Rohres ein positiver Druck aufrecht erhalten wird, um die Bohrung des Rohres zu glätten und zu trocknen, um irgendwelche Feuchtigkeitsreste oder OH-Gruppen zu entfernen.

Während das Rohr weiterhin gedreht wird, wird eine Mischung aus trockenem Sicl4 + O2 in die Bohrung 20 eingeführt, wobei sich gleichzeitig eine heisse Zone entlang dem Rohr bewegt; diese Zone kann durch eine Sauerstoff-Wasserstoffflamme erzeugt werden, welche den ganzen Umfang des Substrates 10 beeinflusst. Die Hitze dieser Wärmequelle bewirkt die Reaktion der in Dampfform vorliegenden Reagenzien, um an Ort einen Niederschlag von praktisch reinem SÌO2 als dünne Grenz-5 Schicht 12 zu erzeugen. Bei diesem Beispiel wurden zwei Durchgänge der sich fortbewegenden Wärmequelle gebraucht, um eine 2 /*m dicke Grenzschicht 12 auf dem Substrat 10 niederzuschlagen.

Den nächsten Schritt zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten 10 Struktur bildet der Niederschlag einer 1 mm dicken Mantelschicht von Borsilikatglas, das mit Phosphorpentoxid (R2O5) dotiert ist. Diesmal waren ungefähr 50 Durchgänge der sich fortbewegenden Sauerstoff-Wasserstoffflamme notwendig, um eine etwa 1 mm dicke Mantelschicht zu erzeugen. Nach der Bil-15 dung der Mantelschicht 14 unter Verwendung des chemischen Niederschlag-Verfahrens wird eine Kernschicht von Germaniumdioxid dotiert mit Siliciumdioxid niederschlagen, um eine Kernschicht zu bilden, welche weniger als 1 um dick ist. In diesem Beispiel wurde die Kernschicht 16 in zehn Durchgängen der 20 wandernden Hitzezone erzeugt.

Nach Abschluss der Herstellung des in Fig. 1 gezeigten und oben beschriebenen schichtförmigen Aufbaus folgt das zweistufige partielle Zusammenfallen des Aufbaus wie es in Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wurde. Dann folgt 25 das Zusammenfallen zu dem in Fig. 4 gezeigten Rohling 26 unter Verwendung bekannter Techniken. Es ist klar, dass die in Fig. 3 gezeigte Struktur, wenn sie gedreht und auf ihrem ganzen Umfang während der Drehung der Hitze ausgesetzt wird, wobei sich die Wärmequelle verschiebt, von der in Fig. 3 gezeigten 30 praktisch elliptischen Form auf die in Fig. 4 gezeigte zylindrische Form des Faserrohlings 26 übergeht, dies hauptsächlich wegen des Oberflächenspannungeffektes beim Zusammenfallen der Bohrung 20. Der letzte Schritt ist das Herunterziehen zu einer zylinderförmigen Lichtleitfaser 28 mit einem elliptisch ge-35 formten Kern 30, siehe Fig. 5.

Die Monomode-Faser hat bei einer Wellenlänge von 0,63 am eine Dämpfung 8,13 dB/km. Am Ausgang der Faser wurde polarisiertes Licht delektiert, wenn sie am Eingang entweder mit polarisiertem oder nichtpolarisiertem Licht beaufschlagt 40 wurde. Das Intensitätsverhältnis der Leistung zwischen der Hauptachse und der Nebenachse war 20 dB.

Es ist zu bemerken, dass die äussere Oberfläche der Faser 28 eine oder mehrere Schutz- und Verstärkungsschichten aufweisen kann, welche während oder nach dem Herunterziehen der 45 Faser aufgebracht werden.

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1 Blatt Zeichnungen