Einführung in die optische Nachrichtentechnik. Herstellung von Lichtwellenleitern (TECH)

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1 TECH/1 Herstellung von Lichtwellenleitern (TECH) Dieses Kapitel behandelt drei verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Vorformen für Glasfasern: das OVD-Verfahren (outside vapour deposition), das VAD-Verfahren (vapour axial deposition) und das MCVD-Verfahren (modied chemical vapour deposition). Auÿerdem wird auf die Verkabelung von Fasern eingegangen. 1 Vorformherstellung Dämpfungsarme Lichtwellenleiter werden am häugsten auf Quarzglas-Basis (SiO 2 ) realisiert. Die Brechzahl wird über eine geeignete Dotierung eingestellt (siehe Abb. 1). Abbildung 1: Brechzahl dotierter Quarzgläser bei = 0; 6µm. (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) Die am häugsten zur Brechzahlerhöhung verwendeten Dotierungen sind Germaniumdioxid (GeO 2 ) und P 2 O 5. Die am häugsten zur Brechzahlsenkung verwendete Dotierung ist Fluor (F). Für dämpfungsarme Lichtwellenleiter ist ein hochreiner Herstellungsprozess notwendig, insbesondere für den Faserkern. Daher werden Glasfasern mit Hilfe chemischer Abscheidung aus der Dampfphase (CVD chemical vapour deposition) hergestellt. Ausgangspunkt sind dabei Halogenide, dabei insbesondere Chloride, beispielsweise SiCl 4, woraus durch Oxidation das Quarzglas (SiO 2 ) gewonnen wird. SiCl 4 + O 2! SiO 2 + 2Cl 2 (1) Die Reaktion kann in beiden Richtungen verlaufen, wobei die komplette Umsetzung zu SiO 2 für Temperaturen T > 1800K erfolgt. Für den Dotiersto GeO 2 ist die Reaktion ähnlich: GeCl 4 + O 2! GeO 2 + 2Cl 2 (2)

2 TECH/2 Die maximale Umsetzung zu GeO 2 erfolgt bei T 1800K. Der Umsetzungswirkungsgrad ist jedoch relativ gering und liegt in der Gröÿenordnung von maximal 25 %. 1. OVD-Verfahren (outside vapour deposition; Abb. 2) Abbildung 2: OVD-Verfahren für Faservorformen (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) SiCl 4 und GeCl 4 liegen bei Raumtemperatur als Flüssigkeiten vor. Sauersto perlt durch diese Flüssigkeiten und nimmt als Trägergas Dämpfe dieser Verbindungen auf. Als Brenner wird normalerweise ein H 2 O 2 -(Knallgas)-Brenner verwendet. Das Glas wird schichtweise abgeschieden. Die Steuerung des relativen Anteils von SiO 2 und GeO 2 und damit des Brechzahlprols erfolgt durch Steuerung des Trägergases (O 2 ), das durch die Behälter mit SiCl 4 und GeCl 4 strömt. Es entsteht eine poröse Abscheidung (Glasruÿ). Die poröse Glasvorform lässt sich jedoch reinigen. Durch Spülen mit Chlorgas (Dehydrierung) kann z.b. der OH-Gehalt reduziert werden. H 2 O + Cl 2! 2 HCl }{{} Salzsäure O 2 (3) Die Reaktion ndet bei Temperaturen oberhalb von 1200 C statt. Gleichzeitig ergibt sich dann eine Verglasung der porösen Vorform. Derartige Vorformen wurden mit einer Masse von bis zu beispielsweise 1800 g (11 cm Durchmesser und 80 cm Länge) hergestellt, was eine Faserlänge von bis zu ca. 50 km erlaubt. 2. VAD-Verfahren (vapour axial deposition) Beim VAD-Verfahren erfolgt die Abscheidung im Gegensatz zum OVD-Verfahren nicht radial, sondern axial (Abb. 3). Wie beim OVD-Verfahren werden auch hier H 2 O 2 -Brenner eingesetzt. Die Vorform dreht sich und die beiden Brenner passieren unterschiedliche Anteile von SiCl 4 und GeCl 4, so dass durch eine geeignete Anordnung der Brenner das Brechzahlprol bestimmt wird. Die Dehydrierung und Verglasung erfolgt beim VAD-Verfahren ähnlich wie beim OVD-Verfahren, jedoch in einem Arbeitsgang.

3 TECH/3 Abbildung 3: VAD-Verfahren zur Herstellung von Faservorformen (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) Da es sich um einen geschlossenen Prozess handelt, ist ein sehr geringer OH-Gehalt bis unterhalb 1 ppb (parts per billion ^= 1 Teil OH auf 10 9 Teile SiO 2 ) erzielbar. Dies entspricht einer Dämpfungserhöhung bei = 1; 39 µm aufgrund der OH-Verunreinigungen von weniger als 0; 04dB=km. 3. MCVD-Verfahren (modied chemical vapour deposition) Ausgangspunkt ist ein Quarzrohr (es bildet später den Fasermantel), in das die Reaktionsgase eingeleitet werden (Abb. 4). Abbildung 4: MCVD-Verfahren zur Herstellung von Faservorformen (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) Die Bildung von SiO 2 und die Verglasung erfolgt hier in einem Schritt. Es werden ca. 30 bis 100

4 TECH/4 Schichten aufgewachsen. Eine Änderung der Brechzahl ist von Schicht zu Schicht durch eine Änderung der Gasüsse möglich. Da die Reaktion nur innerhalb des Quarzrohres stattndet, besteht nur eine geringe Gefahr von Verunreinigungen. Ein Nachteil des MCVD-Verfahrens besteht darin, dass keine Dehydrierung möglich ist, da keine poröse Vorform entsteht. Man erhält zunächst ein Quarzrohr mit abgeschiedenen dotierten Schichten (siehe Abb. 5a). Die Vorform ergibt sich nach Kollabieren des Vorformrohres. Bei Temperaturen von 2000 C zieht sich das Rohr durch Oberächenspannung zu einem Stab zusammen (siehe Abb. 5b). Der OH-Gehalt liegt bei MCVD-Fasern typischerweise in der Gröÿenordnung von weniger als 1 ppm. Abbildung 5: (a) Quarzrohr mit abgeschiedenen Schichten, (b) kollabiertes Vorformrohr, (c) Herstellung der Faser durch Ziehen aus der Vorform

5 TECH/5 2 Faserherstellung Abb. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ziehofens. Der Ziehofen ist Teil der Faserziehmaschine (Abb. 6). Abbildung 6: Schematische Darstellung einer Faserziehmaschine (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) Die Ziehgeschwindigkeit beträgt typischerweise mehr als 10 m/s. Beim Ziehprozess werden die Fasern zum Schutz mit einer Kunststoumhüllung (Dicke in der Gröÿenordnung von ca. 50 µm) versehen. Es gibt auch die Möglichkeit, einen Quarzfaden mit einem verlustarmen Kunststo geringerer Brechzahl (z.b. Silikonharz) zu beschichten. Dabei entspricht der Quarzfaden dem Faserkern und die Kunststobeschichtung dem Fasermantel. Solche Fasern werden auch PCS-Fasern (plastic-clad-silica) genannt. Die Dämpfungscharakteristik einer solchen Faser ist in Abb. 7 dargestellt. Solche Fasern sind Vielmoden-Stufenfasern und können für kurze Übertragungsstrecken (z.b. in Fahrzeugen) eingesetzt werden.

6 TECH/6 Abbildung 7: Dämpfungscharakteristik einer Faser mit Quarzglaskern und Silikonharz-Mantel (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) 3 Festigkeit von Fasern Der fertige Lichtwellenleiter besteht aus der eigentlichen Quarzglas-Faser sowie der während des Ziehprozesses (siehe Abb. 6) aufgebrachten Kunststoumhüllung. Die erzielbare Festigkeit ist dabei ausschlieÿlich durch die Festigkeit des Quarzglases gegeben. Tatsächlich kann Quarzglas sehr stark belastet werden (Bruchdehnung ca. 5 %), solange die Oberäche nicht durch Kratzer oder ähnliches gestört ist. Die Kunststoumhüllung hat deshalb ausschlieÿlich die Aufgabe, die Quarzglas-Oberäche der Faser vor Kratzern oder sonstigen Beschädigungen zu schützen. Es ergibt sich dann eine sehr hohe Festigkeit, wobei die Festigkeit von Fasern als Prozentsatz der bei einer gegebenen Zugspannung gebrochenen Fasern angegeben werden kann. Dieser Zusammenhang wird im sogenannten Weibull-Diagramm aufgetragen. Ein Beispiel für Fasern hoher Festigkeit ist in Abb. 8 dargestellt. Aus Abb. 8 ergibt sich eine Festigkeit von ungefähr 4GPa = N/m 2, d.h. für eine Faser mit einem Durchmesser von 125µm eine Festigkeit von ca. 50 N.

7 TECH/7 Abbildung 8: Weibull-Diagramm: Fehlerraten in Abhängigkeit von der Zugspannung für 20 m und 1 km Probenlänge einer hochfesten Faser (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) 4 Verkabelung von Fasern Die Verkabelung sollte so realisiert werden, dass möglichst keine mechanische Beanspruchung der Faser und keine Mikrokrümmungen auftreten. Ein häug angewandtes Verfahren ist die Hohlader-Technik. Bis zu ca. 20 Fasern werden in eine Hohlader lose eingelegt. Im allgemeinen wird die Hohlader dann noch mit einer gel-artigen Füllmasse gefüllt. Kabel lassen sich aus Vielfachen dieser Hohlader aufbauen. Die Abbildungen 9, 10 und 11 zeigen Beispiele dafür, wobei die Verkabelungskräfte durch ein Stützelement (häug aus Stahl oder hochwertigen Kunststoen, z.b. Kevlar) aufgenommen werden (siehe auch: R. Engel, "Lichtwellenleiterkabel", in E. Voges, K. Petermann, "Optische Kommunikationstechnik", Springer, 2002). Abbildung 9: Beispiel für ein Faserkabel mit einer Hohlader, hier bezeichnet als Bündelader (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I)

8 TECH/8 Abbildung 10: Beispiel für 70-faseriges Kabel (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I) Abbildung 11: Beispiel für 2000-faseriges Kabel (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I)