NO158456B - Fleksibel, fiberoptisk boelgeleder. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fleksibel, fiberoptisk bølgeleder omfattende en silisiumdioksydkappe ("cladding") som omgir

en kjerne, og spesielt flerlagsbelagte optiske bølgeledere med metallisk kappe som anvender som første metallisk cladding på silisiumdioksydkappen et belegg av metall eller legering som ikke reagerer med silisiumdioksydet.

Den eksisterende teknikk for dopede silisiumdioksyd-fiberoptiske bølgeledere har utviklet seg til det punkt hvor lav-tap (under 5 dB/km) blir rutine og den største tekniske usikkerhet som nå kan bestemme suksess eller uheldig utfall av denne kommende teknologi gjelder pakkingen av fiberen i en kabelstruktur som vil beskytte silisiumdioksydet for fremmedlegemer som kan forårsake brudd derav. Skjørheten av glassfibre er velkjent og det er hovedgrunnen for hvorfor noem tidlige forsøkssystemer benyttet bunter av silisiumdioksyd-fibre isteden for enkelttråder i deres optiske datalinjer.

For mange anvendelser krever løsningen på problemet styrking av de individuelle fibrene. Når lange (1 km eller mer)

fibre av høy strekkfasthet er tilgjengelige, kan kommunika-sjons- og datalinjer fremstilles med lettvektige enkelt-trådede fibre isteden for tunge pansrede kabler eller med bunter.

Optiske bølgeledere av den ovenfor omtalte type er beskrevet

i større detalj i US-patenter 3.434.774, 3.778.132, 3.788.827 og 3.806.224. Det har vært foretatt betydelige anstrengelser ved belegging av slike fiberoptiske bølgeledere med organiske materialer slik som termoplaster og ultrafiolett-herdede polymerer. Disse materialer er tilfredsstillende i et kort tidsrom, men de danner ingen hermetisk tetning. De vil til slutt slippe gjennom forurensninger slik som fuktighet som vil angripe glassoverflaten og svekke fiberen.

Metallbelagte glassfibre for optiske bølgeledere er f.eks. beskrevet i US-patenter 3.778.132, 3.788.827 og 4.089.585, samt belgisk patent 858.179. Det oppstår imidlertid ofte problemer ved benyttelse av enkle metalliske belegg på optiske fibrer. Enten oppnås det knappenålshull i belegget under avsetning av metallbelegget på den optiske fiber, eller, som angitt i norsk patentsøknad 821926, reagerer mange metaller eller legeringer med silisiumdioksydet, hvilket for-årsaker forringelse av styrke over lang tid.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fleksibel, fiberoptisk bølgeleder for overføring av optisk elektromagnetisk stråling, hvor bølgelederen omfatter en glassfiber bestående vesentlig av et glasskjerneelement som har en første brytningsindeks for nevnte stråling og en glasskappe som konsentrisk omgir nevnte kjerne, idet glasskappen inkluderer minst ett lag som har en annen brytningsindeks for nevnte stråling som er lavere enn minimumsverdien for nevnte første brytningsindeks med minst 0,1%, for frembringelse av total indre brytning av nevnte optiske stråling ved kjerne/kappe-grenseoverflaten og for derved å lede nevnte optiske stråling langs bølgelederen,

og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at bølgelederen er forsynt med minst to metalliske kapper, med en indre kappe som har en tykkelse i området 10-50^um i kontakt med glassfiberen, idet dert indre metalliske kappen består av et metall eller en legering hvor metallet eller den vesentlige andel av legeringen er et element valgt fra vanadium, krom, jern, kobolt, nikkel, kobber, zirkonium, niob, palladium, tinn, bly, sink og kadmium, hvilket metall eller legering er vesentlig kjemisk inert overfor det materiale som omfatter glassfiberen ved avsetningstemperaturen under belegging av metallet eller legeringen på glassfiberen, og ved at minst en av nevnte metalliske kapper består av et metall eller en legering som har en rekrystallisasjons-. temperatur som er større enn romtemperatur eller den forventede brukstemperatur, hva som enn er dén høyeste.

Lokale defekter (slik som knappenålshull) i den første metalliske kappe eller belegg, repareres med fordel ved hjelp av minst et ytterligere metallisk belegg. Videre, tykkelsen på det første eller indre metalliske belegg kan økes ved å benytte et annet (eller flere) lag. Begge disse for-bedringer kan oppnås ved belegging av glassfiberen minst to ganger med det samme metallet eller legeringen. Beleggings-betingelsene for etterfølgende metalliske belegg utsettes fordelaktig ikke for hindringer bevirket under glassfiber-trekkingsbetingelsene. Etterfølgende metalliske belegg

kan følgelig ha forskjellig sammensetning enn det indre. I dette tilfellet kan det etterfølgende metall eller legering ha fysikalske egenskaper som er klart forskjellige fra dem til det første metall eller legering. Videre, en etterfølgende varmebehandling kan anvendes for å danne en legering med fysikalske egenskaper som ikke naturlig tilhører noen av metall- eller legeringsbeleggene slik at det bevares en opti-mal kombinasjon av mekaniske og optiske egenskaper i bølge-lederen.

Figuren er et perspektivriss, som i forstørret målestokk i detalj viser foreliggende flerlagsbelagte fiberoptiske bølgeleder med metallisk kappe.

På figuren vises (ikke i målestokk) en flerlagsbelagt fiberoptisk bølgeleder 10 med metallisk kappe ifølge oppfinnelsen. Bølgelederen har en ubestemt lengde. Bølgelederen 10 omfatter en sentral kjerne 11, en glasskappe 12 som konsentrisk omgir kjernen 11, en indre metallisk kappe eller belegg 13 som konsentrisk omgir glasskappen 12 og en annen metallisk kappe eller belegg 14 som konsentrisk omgir det indre metalliske belegg 13. Kjernedelen 11 er fortrinnsvis høyrent SiC>2 eller doped silisiumdioksyd som har et første brytningsindeks, n^. Leder- eller kappedelen 12 kan være SiC>2 eller et hvilket som helst annet egnet glassmateriale som har et noe lavere brytningsindeks, n^- Kjernen 11 kan ha et ensartet brytningsindeks eller den kan omfatte to eller flere lag, idet hvert suksessive lag har lavere indeks enn det underliggende slik at man nærmer seg den paraboliske gradient for spesiell nyttevirkning i fler-typestrukturer. Kappen 12 har vanligvis ensartet sammensetning, men kan

også ha gradiert sammensetning. Den andre brytningsindeksen er vanligvis minst ca. 0,1 mindre enn den første brytningsindeksen for å frembringe total indre refleksjon av optisk stråling ved kjerne/kappe-grenseflaten og derved lede den optiske stråling langs bølgelederen. For fler-typefibrer er n 2 vanligvis ca. 1% mindre enn n^.

Den indre metalliske kappe 13 omfatter et metall eller legering som er vesentlig kjemisk inert overfor glassfiberen, mer spesielt overfor kappedelen 12. Det vil si, metallet eller legeringen er et som ikke reagerer kjemisk med glass-materialet ved avsetningstemperaturen iløpet av tiden for belegging av metallet eller legeringen på glassfiberen. Det første metalliske belegg, som mer fullstendig beskrevet nedenfor, påføres fortrinnsvis ved å føre fiberen gjennom et smeltet bad av metallet eller legeringen. I betraktning av den hastighet med hvilken fiberen passerer gjennom et smeltet bad av metallet eller legeringen som belegges på fibere (ca. 0,305-3,05 m/sek., vanligvis ca. 0,914 m/sek.), kan smeltepunktet for metallet eller legeringen være høyere enn mykningspunktet for Si02. Spesielt, smeltepunktet for metallet eller legeringen som skal belegges kan nå så høyt som ca. 2300°C så lengde fiberen selv ikke utsettes for en temperatur som er høyere enn dens mykningspunkt.

Ved bestemmelse av om et spesielt metall eller legering er stabilt under de ovenfor beskrevne betingelser, er det nød-vendig å foreta en sammenligning av den frie dannelsesenergi for det tilsvarende oksyd ved avsetningstemperaturen for metallet eller legeringen med den frie dannelsesenergi for silisiumdioksyd ved samme temperatur. Den frie dannelsesenergi for et oksyd av metallet eller legeringen må være mindre negativ enn den frie dannelsesenergi for silisiumdioksyd ved avsetningstemperaturen; ellers ville dette metall eller legering ha en høyere affinitet for oksygen enn silisium og ville således reagere med SiC^. Dersom kine-tikken for oksyddannelse er tilstrekkelig treg, kan man imidlertid gjøre bruk av metaller eller legeringer med en fri dannelsesenergi for det tilsvarende oksyd som er noe mer negativ enn den frie dannelsesenergi for silisiumdioksyd. Metallelementer egnet for det indre metalliske kappelag inkluderer vanadium, krom, mangan, jern, kobolt, nikkel, kobber, arsen, strontium, zirkonium, niob, rhodium, palladium, tellur, barium, iridium, platina, tallium, tinn, bly, sink og kadmium. Legeringer egnet som indre metalliske kappe inkluderer legeringer inneholdende disse elementer i kombinasjon med hverandre eller i kombinasjon med andre elementer, enten metalliske eller ikke-metalliske, så lenge som legeringene forblir formbare ved vanlige brukstemperaturer,

enten ved romtemperatur eller noe forhøyet temperatur. Eksempler på slike andre legerende metallelementer inkluderer aluminium og magnesium, mens eksempler på slike andre legerende ikke-metallelementer inkluderer antimon, vismut, bor, karbon, fosfor og silisium. På grunn av faktorer som angår toksisitet, pris, lett håndterbarhet og andre faktorer, er det ikke sannsynlig at elementer slik som mangan, arsen, strontium, rhodium, tellur, barium, iridium, platina og tallium, som ellers er egnet, vil finne anvendelse unntatt som legerende elementer og er således ikke foretrukket som elementære metallbelegg.

Den andre (og etterfølgende) metalliske kappe kan være et hvilket som helst metall eller legering og utsettes ikke for den samme bundethet som den første eller indre metalliske kappe, unntatt derscm metallet har en cmkrystalliseringstemperatur mindre enn romtemperatur eller den forventede brukstemperatur for fiberen, hvilken enn er størst, så må den andre metalliske kappen omfatte et metall eller en legering som har en omkrystalliseringstemperatur som er større enn romtemperatur eller den forventede brukstemperatur, hvilken enn er størst. Tinn, bly, sink og kadmium er eksempler på metaller som har en omkrystalliseringstemperatur som er mindre enn romtemperatur. I et slikt tilfelle virker den indre metalliske kappen som en buffer, mens den andre metalliske kappen mekanisk hemmer den indre metalliske kappen.

Den andre (og etterfølgende) metalliske kappe kan omfatte vesentlig den samme sammensetning som den første for å ut-bedre lokale defekter eller bygge opp tykkelsen. Den andre (og etterfølgende) metalliske kappe kan alternativt være av et forskjellig metall eller legering som ellers kan eller ikke kan reagere med den underliggende glassfiber. Følgelig kan det fremstilles en hybrid struktur som har mekaniske egenskaper som er bedre enn de til hver metallisk kappe alene. F.eks., den indre metalliske kappe kan omfatte tinn som ikke reagerer med silisiumdioksyd og den andre metalliske kan omfatte aluminium. En annen kombinasjon er et stål (høy naturlig flytegrense) på tinn (lav, naturlig flytegrense); denne kombinasjon vil ikke i betydelig grad øke svekking som et resultat av mikrobøying på grunn av kombina-sjonens mekaniske egenskaper. Ytterligere kombinasjoner inkluderer tinn på kobber, wolfram på tinn, kobber på tinn, kobber på sink, tinn på nikkel og aluminium på kobber.

Ytterligere metalliske kappe- eller claddinglag kan også dannes etter ønske på den andre metalliske cladding. F.eks. kan tinn avsettes på kobber og legeres, som beskrevet nedenfor, for dannelse av en messing for spesifikke mekaniske egenskaper, med nikkel eller jern deretter avsatt på det metalliske belegg for magnetiske anvendelser.

De metalliske belegg påføres for å gi den glassfiberoptiske bølgeleder egenskaper som ikke er tilgjengelige for ikke-kappebelagte bølgeledere. De metalliske belegg kan f.eks.

gi en hermetisk tetning rundt glassfiberen. I tillegg kan de mekaniske, elektriske og magnetiske egenskapene skredder-sys for spesifikke anvendelser. Spesielt, minst et av de metalliske belegg eller et sammensatt produkt dannet ved i det minste delvis å legere minst to metalliske belegg, som beskrevet nedenfor, er ferromagnesisk ved den tiltenkte brukstemperatur. Et eksempel på en tolagsmetallisk kappe (cladding) er nikkel som er ferromagnetisk opptil ca. 358°C, på tinn.

De metalliske kapper kan påføres ved hjelp av en rekke forskjellige metoder, inkludert føring av fiberen gjennom et smeltet bad, som beskrevet nedenfor, dampplettering, vakuum-avsetning, sputtering, elektroavsetning og lignende. I et hvert tilfelle påføres det metalliske belegg på glassfiberen iløpet av trekkingsoperasjonen umiddelbart etter at fiberen kommer ut fra ovnen under anvendelse av apparatur som er velkjent for belegging av glassfibre med metaller.. Av viktighet er at det metalliske belegg påføres før fiberen har en sjanse til å bli slitt i stykker av opptakstrommelen på hvilken den belagte fiber oppspoles og også før fiberen avkjøles til det punkt hvor omgivende fuktighet kan reagere med dens overflate.

Minst et av de metalliske lag, helst det indre, påføres fortrinnsvis ved å føre glassfiberen gjennom en beleggingskopp som inneholder det smeltede metall eller legering som skal belegges på fiberen ved en temperatur noe over smeltepunktet for metallet eller legeringen. Koppen har et lite hull i sin bunn stort nok til at glassfiberen•kan passere, men tilstrekkelig lite slik at overflatespenning til det smeltede metall eller legering hindrer det i å renne ut. Ettersom glassfiberen passerer gjennom koppen, stivner et tynt lag av metall eller legering på glassfiberens overflate. Denne metode danner hurtig tykke metalliske belegg som har egenskaper lik de til metall- eller legeringsmassen.

Riktige betingelser for dannelsen av et sterkt, adherende metallisk lag på glassfiberoverflaten krever at temperaturen på det metallholdige bad gjennom hvilket glassfiberen føres, er litt større enn smeltepunktet for metallet eller legeringen, mens temperaturen på glassfiberen er noe under dette smeltepunkt. Videre, i tilfelle for legeringer,

må legeringene vise kontinuerlig oppløselighet i den væske-formige tilstand for å unngå segregering av faser i disse legeringer under avkjøling.

Tykkelsen på de metalliske lag reguleres ved å justere fiber-trekkingshastigheten og metallavsetningsparameterene slik som f.eks. i tilfelle for smeltet bad-belegging, temperatur-forskjellen mellom fiberen og det metallholdige bad.

Tykkelsen på den første metalliske kappe ligger i området

fra 10 til 50^,um og ligger fortrinnsvis i et område fra 15

til 20yum. Den maksimale tykkelsen er begrenset av et krav om ikke å svekke fiberens fleksibilitet og/eller forstyrre optiske egenskaper, mens minimumstykkelsen er fastsatt av et krav om oppnåelse av tilstrekkelig styrke og hermetisk tetning. Den totale tykkelsen på den andre metalliske kappen og etterfølgende metalliske kapper varierer fra 1 til 200^um. Tykkelser så lave som ca. l^um er egnet for tilveiebringelse av passende forskjellige egenskaper fra den første metalliske kappen (f.eks. passivering, anodisering, etc.), men tykkere belegg (25 til 200yum) kan representere fullstendig forskjellige strukturer (f.eks. Al over Sn for forbedret elektrisk ledningsevne).

I glassfibrene som benyttes i foreliggende oppfinnelse, er

det nødvendig å holde den radielle tykkelse til glasskappe-laget 12 i området fra 10 til 250^um og fortrinnsvis i området fra 10 til 50^um. Radien til kjernen 11 bør ligge i området fra ca. 5^um for enkeltmodusfibrer til ca. 200^um for multi-modusfibrer. For de vanlige benyttede multi-modusfibrer er det foretrukne området for kjerne-

radien fra 25 til 4 5^um. Dette foretrukne området skriver seg fra et samspill mellom letthet av fiberskjøting, som begunstiger store kjerner, og prisen på kjernematerialet med ultrahøy renhet, som begunstiger små kjerner. Den totale diameter på bølgelederen 10 bør imidlertid være mindre enn ca. 500^um.

Den resulterende glassfiberoptiske bølgeleder 10 viser en retensjon av mekanisk styrke av den nascerende glassfiber i større grad enn det som vises av andre metallisk og ikke-metallisk belagte fiberoptiske bølgeledere. Videre, bølgelederen ifølge oppfinnelsen vil ikke svikte på grunn av statisk utmatting hvis den anvendes ved mindre enn ca. 3/4 av dens opprinnelige strekkfasthet, uten hensyntagen til den absolutte verdi for denne strekkfasthet.

Etter dannelsen av minst to metalliske belegg, kan den belagte fiberen utsettes for en varmebehandling, enten umiddelbart etter avsetning av de metalliske lag eller ved et noe senere tidspunkt etter opptak. Oppvarmingen kan foretas for å danne en sterkere mekanisk binding og/eller kjemisk binding mellom lagene eller, i tilfelle for metaller slik som kobber på tinn, oppvarmingen kan foretas for dannelse av en legering som ellers ikke kunne avsettes fra smeltet tilstand på grunn av eksistensen, som i tilfelle for Cu-Sn-legeringer, av et bredt område av liquidus/solidus-temperaturer slik at avsetning fra smeiten som krever ensartet frysing ikke er mulig. I alle tilfeller foretas oppvarmingen under tilstrekkelige tids- og temperaturbetingelser for i det minste delvis å legere de metalliske belegg.

Kombinasjonen av metalliske lag 13 og 14 gir god mekanisk beskyttelse og en hermetisk tetning mot forurensning. Ytterligere mekanisk beskyttelse, galvanisk beskyttelse og elektrisk isolering kan oppnås etter behov ved å påføre et ytre plastbelegg 15 på det ytterste metalliske hylster 14.

Så lite som 10-25 ym av et polyvinylformiatbelegg er f.eks. nyttig for bevaring av integreteten til den metalliske cladding i en elektrolytisk celle med rustfrie stålelektroder og saltvann. Andre plastbelegg kan også benyttes.

Det er nå kjent at innvirkningen av effekten av et metallisk grenselag på en dopet silisiumdioksyd-bølgeleder omfattende kjerneelement 11 og glasskappe 12 på den optiske svekking,

er ubetydelig dersom tykkelsen på glasskappen er større enn ca. 10 ym. Siden glasskappene på de fleste nåværende lav-taps-bølgeledere faktisk er i området på minst ca. 25 ym, så påtvinger det metalliske lag ikke noen nye begrensninger på bølgelederstørrelsen.

Bølgelederne ifølge oppfinnelsen kan operere kontinuerlig i minst ett år ved en temperatur opp til ca. 2/3 Tm (°K),

hvor Tm er smeltepunktet til metallet eller legeringen, med ikke mer enn ca. 100% skade (dvs. ikke mer enn ca. 50% styrketap). Metallene og legeringene som er egnet ved bruk ved forhøyede temperaturer inkluderer de som er omtalt ovenfor som også har et smeltepunkt som er minst 50% større enn den tiltenkte arbeidstemperatur. Slike metallisk belagte optiske fibre anvendes f.eks. i oljebrønnsonder (200°C),

som væskenivåfølere i kjernereaktorer (350°C) og for styring av bladtemperatur i turbinblader (1000°C).

Eksempel

En glassfiber omfattende en kjerne av germania-phosphoria-silica med en radius på 55 ym og en kappe av silisiumdioksyd med en tykkelse på 60 ym ble ført gjennom et smeltet bad av Sn holdt ved 242°C. Fiberen ble trukket gjennom det smeltéde bad etterhvert som fiberen kom ut av ovnen, idet trekkhastig-heten var ca. 0,914 m/sek. Et belegg på ca. 25 ym av Sn ble avsatt på fiberen. Den belagte fiber ble oppspolet på en trommel. Deretter ble det foretatt en "off-line" elektroavsetning av Ni, idet det ble avsatt et belegg på ca. 35 ym av Ni på Sn. Den oppnådde fiber har egenskaper som god mekanisk beskyttelse, og hermetisk tetning mot forurensning.

Claims (8)

1. Fleksibel, fiberoptisk bølgeleder for overføring av optisk elektromagnetisk stråling, hvor bølgelederen omfatter en glassfiber bestående vesentlig av et glasskjerneelement som har en første brytningsindeks for nevnte stråling og en glasskappe som konsentrisk omgir nevnte kjerne, idet glasskappen inkluderer minst ett lag som har en annen brytnings indeks for nevnte stråling som er lavere enn minimumsverdien for nevnte første brytningsindeks med minst 0,1%, for frembringelse av total indre brytning av nevnte optiske stråling ved kjerne/kappe-grenseflaten og for derved å lede nevnte optiske stråling langs bølgelederen, karakterisert ved at bølgelederen er forsynt med minst to metalliske kapper, med en indre metallisk kappe som har en tykkelse i området 10-50^um i kontakt med glassfiberen, idet den indre metalliske kappen består av et metall eller en legering hvor metallet eller den vesentlige andel av legeringen er et element valgt fra vanadium, krom, jern, kobolt, nikkel, kobber, zirkonium, niob, palladium, tinn, bly, sink og kadmium, hvilket metall eller legering er vesentlig kjemisk inert overfor det materiale som omfatter glassfiberen ved avsetningstemperaturen under belegging av metallet eller legeringen på glassfiberen, og ved at minst en av nevnte metalliske kapper består av et metall eller en legering som har en rekrystallisasjonstemperatur som er;høyere enn romtemperatur eller den forventede brukstemperatur, hva som enn er den høyeste.

2. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte indre metalliske kappe inkluderer minst ett ytterligere element valgt fra gruppen bestående av mangan, arsen, strontium, rhodium, tellur, barium, iridium, platina, tallium, aluminium, magnesium, antimon, vismut, bor, karbon, fosfor og silisium.

3. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte første metalliske kappe omfatter en legering som viser kontinuerlig oppløselighet i væske-formig tilstand.

4. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at minst én av nevnte metalliske kapper er ferromagnetisk ved den tiltenkte brukstemperatur.

5. Bølgeleder ifølge krav 4, karakterisert ved at nevnte indre metalliske kappe består av tinn belagt med en annen metallisk kappe bestående av nikkel.

6. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter minst to metalliske kapper som i det minste delvis er legert med hverandre.

7. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at den totale tykkelsen på metalliske kapper etter nevnte indre kappe er i området l-200yum.

8. Bølgeleder ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et plastbelegg dannet på utsiden av nevnte i det minste to metalliske kapper.