SE438310B - Sett att framstella ett flerskiktat, av optiskt glas bestaende emne av type som har ett kernskikt, ett beklednadsskikt och ett eller flera omgivande skikt - Google Patents

Description

7908214-5.> 2 december, 1969, sid 661-664, av D.A. Krohn och A.R. Cooper.

Denna artikel presenterar teoretiska och experimentella data som visar att om beklädnaden väljs så, att dess värmeutvidg- ningskoefficient är lägre än värmeutvidgningskoefficienten för glaset i kärnan och om korrekt uppmärksamhet ägnas åt glasövergångstemperaturerna hos kärnan och beklädnaden är sannolikheten att tryckpåkänningar kan alstras för att för- fbättra fiberhållfastheten god. p Det har också tidigare föreslagits i allmänna ordalag att man skulle kunna göra en sammansatt optisk fiber starkare genom att utanpå beklädnadsmanteln pålägga en andra mantel som har en lägre värmeutvidgningskoefficient än beklädnads- manteln eller än kombinationen av kärnan och beklädnadsman- teln. Jämför exempelvis tysk Offenlegungsschrift 24 l9 786 eller den motsvarande engelska versionen i den australiska patentskriften 495 505. _ »I en amerikansk patentansökan med Charles K. Kao och Mokhtar S. Maklad som sökande är nya och förbättrade samman- satta treskikts och fyrskikts optiska ämen och fibrer be- skrivna; Genom att man utnyttjar framställningsmetoder som är beskrivna i den nämda ansökningen kan man erhålla resulte- rande optiska kommunikationsfibrer med hög kvalitet och med mycket högre yttryck och högre draghållfasthet än vad som kan .erhållas medelst känd teknik som är exemplifierad av de ovan nämnda hänvisningarna. I korthet utförs detta genom att man framställer flerskiktsämnena och de resulterande fibrerna av skilda glasmaterial med noggrant valda glassammansättningar, tjocklekar, utvidgningskoeffioienter och glasövergångstempera- turer, såsom är beskrivet i detalj i den ovannämnda ansök- ningen. Genom dessa metoder har man funnit det möjligt att i den fullbordade fiberns yttre yta uppnå tryckpäkänningar på 545 Mea eller högre, Den ovannämnda ansökningen av Kao och Maklad beskriver också ett sätt att framställa ett ämne för en sammansatt glas- fiber i vilken de utvalda glasmaterialen som senare bildar kärnan och fiberns omgivande skikt utfälls medelst kemiska ång- utfällningsmetoder (CVD-metoder) på den inre ytan hos ett ihåligt rörformigt substrat av ett kiseldioxidmatèrïal. Substra- 7908214-5 7 J 'tet och de inneslutna ringformiga skikten som har utfällts i omvänd ordning med ett kärnskikt utfällt sist bringas därefter att sjunka ihop under inverkan av ökad värme till ett massivt ämne. De hittills beskrivna metoderna är allmänt kända inom tekniken, och varianter av desamma finns beskrivna i de ameri- kanska patentskrifterna 5 982 916 och 4 009 014 samt i den 'amerikanska patentskriften 4140 505. Innan ifrågavarande ämne âterupphettas och dras ut till en optisk fiber, vilket också görs på grundval av kända metoder, utför Kao och haklad emellertid ytterligare behandling för att erhålla mycket större tryckspänningar på den yttre ytan än vad som kan erhållas på ytan hos det förhållandevis tjocka yttre skiktet som bildas med utgångspunkt från det hopsjunlma substratröret. Kao och Maklad beskriver två metoder för att avlägsna hela eller prak- tiskt taget hela substratskiktet under utnyttjande av antingen precisionsslipning och polering eller bortfräsning av skiktet medelst en högintensiv C02-laserstråle. Enligt den av Kao och Maklad ingivna amerikanska ansökningen kan detta ske på så sätt att man får kvar ett första, förhållandevis tunt mate- rial som ursprungligen har utfällts eller avlagrats i substrat- röret såsom det yttre skiktet. Den amerikanska ansökningen ger också anvisning om hur detta skikt skall göras till ett skikt med mycket högt tryck. Ur detta fullbordade ämne kan där- efter en lång optisk fiber dras, vilken har större hållbarhet. styrka och fiberlivslängd än vad man tidigare trodde skulle kunna vara möjligt.

Då man utnyttjar de ovan beskrivna slip- eller laser- fräsmetoderna är det emellertid ibland svårt att avlägsna substratskiktet likformigt om det hopsjunkna ämnet inte är helt rakt eller om kärnan och de skilda skikten inte är ekakt konoentriska. Vidare måste det önskade yttre skiktet hos det fullbordade ämnet och fibern ha en tjocklek av endast några få /um för att den önskade högtrycksspänningen skall kunna upbnås.

Exempelvis har Kao och Maklad fastställt att den radiella tjock- leken hos det yttre högtrycksskiktet i det fullbordade organet bör vara mindre än 10 um och företrädesvis bör ligga inom intervallet mellan l och 5/um. Enligt föreliggande uppfinning 7908214-5 4 har man funnit hur man skall gå tillväga för att avlägsna det icke önskvärda substratmaterialet med ännu större noggrannhet än vad som tidigare kunnat uppnås, oberoende av olinearitet eller brist på koncentricitet i det hopsjunkna ämnet, varvid det nämnda resultatet har kunnat uppnås genom en ny kombina- tion av material och behandlingsmetoder som kommer att be- skrivas nedan. 7 w I korthet avlägsnas i enlighet med föreliggande upp- finning det på det hopsjunkna ämnets yttre yta belägna substrat- materialet, som är framställt medelst de i den ovannämnda an- sökningen av Kao och Maklad beskrivna metoderna med inre kemisk ångutfällning och upphettning, genom att man tillämpar två nya metoder, enligt vilka (1) det ursprungliga rörformiga substra- tet framställs av ett något annorlunda glas än det första tunna utfällda skiktet som skall bilda det yttre högtryoks- skiktet i det fullbordade ämnet och fibern och (2);referens- etsning utnyttjas för att avlägsna substratskiktet utan att det angränsande högtrycksskiktet tar skada.

Andra kännetecken och ändamål med uppfinningen kommer att bli uppenbara ur den nu följande detaljbeskrivningen, i samband med vilken hänvisas till bifogade ritningar, påâvilka fig. l är en tvärsektion av ett delvis fullbordat optiskt ämne, 'som inte 'nödvändigtvis är i skala och som kommer att bli ett fullbordat treskiktsämne när dess omgivande substratskikt har avlägsnats i enlighet med föreliggande uppfinnings principer, och fig. 2 är en likartad tvärsektion av ett annat delvis full- bordat ämne, som inte heller nödvändigtvis är i skala och som kommer att bli ett fullbordat fyrskiktsämne när dess om- givande substrat avlägsnas på likartat sätt.

Det i fig. 1 visade delvis fullbordade ämnet kan fram- ställas medelst metoden med inre kemisk ångutfällning, efter- följd av hopsjunkning till det visade massiva cylindriska orga- net, såsom är beskrivet i detalj i den ovannämnda amerikanska ansökningen som är inlämnad av Kao och Maklad. Såsom är åskådliggjort i fig. l innefattar det optiska överföringsorga- net det genom hopsjunkning bildade cylindriska kärnskiktet 10 och dettas omgivande beklädnadsskikt ll. Dessa kan väljas för optimalaljusöverföringsegenskaper, och beklädnadsglaset väljs 7908214-5 5 så, att dess brytningsindex är lägre än brytningsindek hos kärnglaset, såsom har nämnts ovan.

Såsom vidare är angivet i ansökningen av Kao och Maklad är beklädnadsskiktet ll i rig. l omgivet av ett mycket tunnare skikt 12 som utgörs av det första glasmaterialet som har ut- fällts i det yttre rörformiga substratet som nu bildar skiktet 13. Av produktions- och kostnadsskäl kan substratskiktet be- stå av ett glasmaterial med lägre kvalitet än glasmaterialet i skiktet 12. Skiktet 12 tjänstgör således också såsom ett jonbarriärskikt för att minska diffunderingen av störämnen från skiktet lå in i beklädnadsskiktet ll under framställninge- förloppet. Skiktets 12 primära funktion är emellertid att bilda det yttre högtrycksskiktet i det fullbordade ämnet och resulterande fibern sedan substratskiktet 15 har avlägsnats i enlighet med föreliggande uppfinning.

För att ett högt tryck skall erhållas i det resulteran- de yttre skiktet 12 utnyttjar Kao och Maklad för skikten 10, ll och lâglasmaterial med särskild sammansättning så att man skall erhålla optimala värmeutvidgningskoefficienter och glasövergångstemperaturer. Glasövergångstemperaturen eller stelnings- eller härdningstemperaturen .Tg, som den vanligen benämnas inom den aktuella grenen av tekniken, är den_ tem- peratur vid vilken smält glas övergår från ett visköst till- stånd till ett elastiskt tillstånd då det svalnar och kan ofta definieras mera exakt som den temperatur vid vilken det av- svalnande smälta glasets viskositet när värdet 1015 poise.

Såsom ett exempel utnyttjar Kao och Maklad en med germanium- dioxid dopad silikatglassort för kärnan 10, en med bor dopad silikatglassort för beklädnadsskiktet ll, och ett väsentligen rent, smält kiseldioxidskikt 12. Glaset i kärnan och bekläd- naden har förhållandevis höga värmeutvidgningskoefficienter och relativt låga glasövergângstemperaturer i jämförelse med den relativt låga värmeutvidgningskoefficienten och den för- hållandevis höga glasövergångstemperaturen hos det tunna kiseldioxidskiktet 12, varvid resultatet blir den önskade höga tryckspänningen i det fullbordade ämnets yttre yta. Om emellertid det relativt tgocka substratskiktet 15 inte skulle avlägsnas först skulle en direkt ur det i fig. l visade orga- net dragen optisk fiber få ett icke önskvärt lågt yttryck och 79.fl821'4-5 6 dålig draghållfasthet.

För maximal tryckspänning i det yttre skiktet l2 i ett fullbordat ämne eller en fiber bör substratskiktet 13 avlägsnas så nära helt och hållet som möjligt, varjämte skiktet l2 vid sin fullbordan bör ha en konstant radiell tjocklek inom inter- vallet mellan l och 10 um, företrädesvis högst 5/um och ändå f bättre mellan 2 och 3 um i den fullbordade fibern. När substrat- skiktet. 13 avlägsnas fysiskt medelst slip- eller laserfräs- metoder har Kao och Maklad funnit det svårt att uppnå dylik optimal tunnhet hos skiktet 12 om en eventuell ringa olineari- tet förekommer i det hopsjunkna ämnet eller om någon bristan- de koncentrioitet föreligger i kärnan eller de omgivande skik- ten. Om substratskiktet 15 inte är helt rakt och koncentriskt är det sannolikt att en del av sistnämda skikt kommer att lämas kvar eller att vissa delar av det tunna skiktet 12 kommer att skäras bort, vilket inverkar ogynnsamt på stor- leken och likformigheten hos de önskade tryckspänningarna i den yttre ytan. Hur som helst har det hittills varit mycket svårt att uppnå en optimal, konstant radiell tjocklek av från 2 till 3“um i det yttre skiktet 12 hos en fullbordad fiber.

Såsom nu kommer att beskrivas i detalj påverkas det enligt föreliggande uppfinning angivna förloppet för full- bordan av ett äme inte av någon olinearitet i organet en- sligt fig. l och inte heller av någon brist på koncentrici- tet i nämnda organs kärna eller omgivande skikt. Skiktet 12 i den fullbordade fibern kan således göras mycket tunnare än vad som hittills har ansetts möjligt, t.ex. med en radiell tjocklek av mellan 2 och 3/um.

Den ovannämnda ansökningen av Kao och Maklad anger att skiktet 12 bör ha väsentligen samma glassammansättning som substratskiktet, dvs. det skall bestå av odopad kiseldioxid men skall företrädesvis ha större renhet. När dessa båda skikt smälts samman kommer de således att fungera väsentligen såsom ett enda skikt då det gäller de fysiska slip- eller fräsmomen- ten. I enlighet med föreliggande uppfinning kan en mycket finare reglering av substratborttagningsmomentet uppnås genom att man utnyttjar något olika glaskompositioner för skikten 12 och 15 med olika etsningstakter när organet enligt fig. l 7908214-s 7 sänks ned i ett kommersiellt förekommande glasetsmedel, såsom en lösning av fluorvätesyra. Närmare bestämt kan enligt upp- finningen också utnyttjas en väsentligen ren kiseldioxid för det utfällda högtrycksskiktet 12, men därvid utnyttjas ett substratrör av ett dopat kiselidioxidmaterial med en betydligt högre etsningstakt. Speciellt har det enligt uppfinningen visat 'sig att den silikatglassort som är kommersiellt känd inom glas- industrin under varumärkesbeteckningen VYCOR är väl lämpad för detta ändamål. Denna glaskomposition, som är allmänt använd inom glasindustrin, kan erhållas från Corning Glass Works, Corning, New York, USA, och utgörs av ett natriumborsilikat- glas bestående av mellan 96 % och 97 % kiseldioxid och en blandning av boroxid och natriumoiid uppgående till mellan 3 % och 4 %, nämligen mellan l % och 2 % boroxid och återstoden natriumoxid. Det är allmänt känt att detta natriumborsilikat- glas är något mjukare än rent kiseldioxidglas och att det i fluorvätesyra har en etsningstakt som är ungefär tre gånger så stor som då det gäller rent kiseldioxidglas. Etsningstakten kan givetvis ökas eller minskas i viss omfattning genom att man ändrar koncentrationen och temperaturen hos etsmedlct.

Andra glassorter som är likartade VYCOR kan också erhållas genom att man inför lämpliga modifieringsmedel för att öka den föredragna etsningstakten med avseende på kiseldioxid- glassorter.

Det utgör således ett viktigt särdrag_ enligt före- liggande uppfinning att man väljer VYCOR eller någon ekviva- lent glassort som är lämplig för användning såsom ett-substrat och som har en högre etsningstakt än rent kiseldioxidglas eller annat glas som är lämpligt för det tunna högtrycksskik- tet. Detta utgör sambandet mellan substratskiktet 15 och hög- trycksskiktet 12 i det delvis fullbordade ämnet enligt fig.l.

Fig. 2 åskådliggör ett annat delvis fullbordat .firms som också kan framställas medelst förloppet med inre kemisk ângutfällning, efterföljd av hopsjunkning till det åskådlig- gjorda massiva cylindriska organet. Såsom framgår av den ovan- nämnda ansökningen inlämad av Kao och Maklad skiljer detta organ sig från organet enligt fig. l på så sätt att det inklu- derar ytterligare ett glasskikt 14, som har stor utvidgnings- 7908214-5 8 koefficient och som är beläget mellan beklädnadsskiktet ll och högtrycksskiktet 12. Glaset i skiktet 14 har på samma sätt som glaset i kärn- och beklädnadsskiktet en högre värmeutvidgnings- koefficient och en lägre glasövergángstemperatur än vad som gäller för skiktet 12. Ehuru skiktet 14 inte nödvändigtvis är visat i skala i fig. 2 är det företrädesvis betydligt tjockare än beklädnadsskiktet ll. Följaktligen kommer den av högtrycks- skiktet 14 i den fullbordade fyrskiktsfibern inneslutna yt- arean per längdenhet att bli betydligt större än ytarean per längdenhet som är innesluten av skiktet 12 i den fullbordade treskiktsfibern som är framställd ur ämnet enligt fig. l. Så- som följd av detta kan fyrskiktsfibern ha. större yttryck, med åtföljande förbättring i fiberdraghällfasthet, hållbarhet och fiberlivslängd.

Utom då det gäller utfällningen av ett lämpligt glas- materíal för skiktet 14 med stor utvidgning, t.ex. ett germa- niumdioxidsilikatglas, kan metoden för framställning av det delvis fullbordade ämnet enligt fig. 2 vara densamma som då det gäller det delvis fullbordade ämet enligt fig. l. Det av VYCOR eller ett ekvivalent material bestående substrat- skiktet lå kan vara detsamma, och metoden för att preferens- etsa bort skiktet 15 kan vara densamma. Det torde också vara uppenbart att föreliggande uppfinnings principer likaväl kan tillämpas vid andra, likartade typer av flerskiktsorgan där det ursprungliga substratmaterialet skall avlägsnas.

För att etsningstiden skall kunna avkortas när man håller på att fullborda antingen ämnet enligt fig. l eller ämet enligt fig. 2 kan en betydande del av det extra substrat- materialet först avlägsnas medelst mekanisk slipning eller laserfräsning, såsom är omämnt i Kaos och Maklads ovannämnda ansökan, men detta moment är inte väsentligt vid tillämpning av föreliggande uppfinning.

Det slutgiltiga etsningsmomentet kan lätt regleras med precision genom att man reglerar etsmedelkoncentrationen, temperaturen och nedsänkningstiden. Etsmedlet kan också före- trädesvis omröras magnetiskt medelst kända metoder så att man erhåller en likformig etsning. Etsningstiden inställs i rela- tion till substratskiktets tjocklek så att hela substratskiktet 9 7908214-5 avlägsnas under kvarlämnande av endast högtrycksskiktet 12 såsom det yttre skiktet i det fullbordade ämnet. Detaljer i etsningsförloppet är allmänt kända inom tekniken och behöver inte behandlas ytterligare här. Eftersom det mjukare substrat- glaset bortetsas mycket snabbare än det underliggande skiktet kan etsningsförloppet lätt stoppas, med en rimlig tidstolerans, innan det tunna skiktet 12 får nâgra skador.

Såsom ett exempel anger tabell I nedan några glaskompo~ sitioner som lämpligen kan användas vid tillämpning av prefe- mmfimmßfifiwmætwhgumfimmwnfimemmammm- tarer avseende de önskade fysikaliska egenskaperna hos de enskilda glassorterna; TABELL I Skikt nr Såsom exempel valda glas- Relativa fysikaliska (fig. le kompositioner egenskaper eller gjp 10 20 ß germaniumdioxidsilikat- Lämpligt IR)l) för op- R glas (med spår av bor eller tisk fiberkärna; (2) fosfor om så önskas) Relativt stor C'§> ; i Relativt rg »J ll 4 ß borsilikatglas (eller Lämpligt IR för optisk en blandning av 40 % germa- beklädnad; niumdioxidsilikat och 15 % Relativt stor CTE; borsilikatglas om så Relativt låg Tu önskas) 5 14 40 ß germaniumdioxidsilikat- Relativt stor UTE; (endast i glas (eller blandningar av Relativt låg T fig. 2) . germanium- och borsilikat- 3 glassorter om så önskas) 12 Rent smält kiseldioxidglas Relativt låg UTE; (S102) Relativt nog T ; Relativt låg ešsnings- takt 15 VYCOR-glas eller ekvivalent Relativt hög etsnings- takt i fluorvätesyra Nyckel till förkortningar (l) IR Optiskt brytningsindex; (2) CTE Värmeutvidgningskoefficient; (5) T Glasövergångstemperatur. 7908214-5 /11 ._..;__...~.._._-..... . _ 10 Såsom har nämnts ovan kan de exakta dimensionerna hos kärnan och de skilda skikten variera avsevärt, beroende på W det ändamål för vilket den fullbordade fibern är utformad och vidare beroende på om det gäller enkelmod- eller flermodsig- nalöverföring. Enbart ur åskådliggöringssynpunkt ger tabellen II nedan en del såsom exempel tjänande dimensioner hos full- bordade flermodfibrer som kan dras ur de.fu1lbordade ämnena som har framställts ur organen enligt fig. l och 2. Det bör observeras att i varje enskilt fall är det yttre högtrycks- skiktet visat med en nästan optimal tjocklek av från 2 till 3 m, vilket kan erhållas genom tillämpning av föreliggande upp- finning.

TABELL.II Fiberskikt Ur ämnesskikt nr Tjocklek i Kumulativ dia- /um ' meter i/um A. -Fullbordad treskiktsfiber (ur fig. l) Kärna 10 50 (diameter) 50 Beklädnad ll 15 80 Yttre hög- 12 2 - 5 84 - 86 trycksskikt B. Fullbordad fyrskiktsfiber (ur fig. 21 Kärna 10 50 (diameter) 50 Beklädnad ll 15 80 Skikt med 14 30 140 stor utvidg- ning _ Yttre hög- 12 2 - É 144 - 146 trycksskikt Det torde således vara uppenbart att ett lämpligt val av material för skikten 12 och 13 samt den enligt föreliggande uppfinning angivna metoden med preferensetsning ger upphov till flera fördelar i förhållande till de tidigare kända metoderna som har beskrivits inledningsvis. Bland dessa för- delar kan följande nämnas: (1) Ehuru det är önskvärt att det ursprungliga rörfor- míga substratet har ett preeisionshål krävs inte extrem nog- grannhet i dess väggtjocklek. 7908214-5 ll (2) Eventuell preliminär skavning eller någon annan mekanisk borttagning av extra substratmaterial är inte kritisk, eftersom detta material inte behöver avlägsnas ända ned till det tunna högtrycksskikt som skall finnas kvar. (3) Vid preferensetsning föreligger ingen risk att ets- medlet kommer att genomtränga och skada det tunna högtrycks- skiktet. ' (4) Om det delvis fullbordade ämet är något orunt, lt.ex. beroende på icke likformig hopsjunkning, kan preferens~ etsningsmetoden enligt föreliggande uppfinning ändå användas för att åstadkomma ett ämne med stor styrka och en resulteran- de optisk fiber med ett yttre tryckskikt med konstant tjock- lek.

Ehuru vissa såsom exempel valda material och bestämda förfarandemoment för framställning av ämnen och fibrer med hög draghàllfasthet har beskrivits ovan torde det vara uppen- bart för fackmannen att andra ekvivalenter och alternativa metoder kan utnyttjas inom uppfinningens ram sådan den är definierad 1 bifogade patentkrav.

Claims (5)

19081214-5 m Estefßifflit' '

1. Sätt att framställa ett flerskiktat,av optiskt glas bestående ämne av typen som har ett kärnskikt (10) , ett beklädnadsskikt (ll) , och ett' eller flera omgivande skikt, vilka alla utfälls i omvänd ordning medelst kemisk ängut- fällning i ett ihäligt substratrör (13) av glas , varefter nämnda ämne fär sjunka ihop under ökad värme och därvid bildar ett delvis fullbordat massivt, cylind- _ riskt ämne, varvid det i nämnda glassubstratrör (13) först utfällda , närmast röret belägna skiktet är ett tunt glasskikt (12) , k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar följande moment, nämligenutväljning av ett första glas- material för nämnda tunna skikt (12) , vilket glasmaterial är i ständ att. utöva en hög tryckspänning pä det skikt som det omedelbart omger, vidare utvälj- ning av ett andra glasmaterial för nämnda substratrör (13) , vilket andra glas- material har en högre etsningstakt än nämnda första glasmaterial , nedsänkning av nämnda delvis fullbordade ämne i ett glasetsmedel och preferentiell bort- etsning av åtminstone den yttre delen av nämnda substratskikt ien reglerad takt, och avslutning av etsningsmomentet när väsentligen hela substrat- skiktet har avlägsnats .

2. . Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda första material väsentligen utgörs av ren, smält kiseldioxíd och att nämnda andra material är ett natríumborsilikatglas .

3. . Sätt enligt krav 2 , k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda etsmedel .är fluorvätesyra .-

4. . Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda första material är ett härt kiseldioxidglas och att nämnda andra material är ett natriumborsilikatglas bestående av mellan 96 % och 97 % kíseldioxid och en blandning av mellan 3 % och 4 % boroxid och natriumoxid .

5. . Sätt enligt krav 4 , kä n n e t e c k n a t därav, att nämnda etsmedel är_ fluorväte syra . 6, Sätt enligt krav 5 k ä n n e t e c k n a t därav, att utfällningen av det tunna skiktet (12) fortgår så länge att den radiella tjocklek-en uppgår till mellan 1 och S/um och att dess ytterdiameter i en optisk fiber som dras ur nämnda full- bordade ämne uppgår till åtminstone 10 gånger dess tjocklek.