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Einführung in die optische Nachrichtentechnik<br />
<strong>TECH</strong>/1<br />
Herstellung von Lichtwellenleitern (<strong>TECH</strong>)<br />
Dieses Kapitel behandelt drei verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Vorformen für Glasfasern:<br />
das OVD-Verfahren (outside vapour deposition), das VAD-Verfahren (vapour axial deposition) und<br />
das MCVD-Verfahren (modied chemical vapour deposition). Auÿerdem wird auf die Verkabelung von<br />
Fasern eingegangen.<br />
1 Vorformherstellung<br />
Dämpfungsarme Lichtwellenleiter werden am häugsten auf Quarzglas-Basis (SiO 2 ) realisiert. Die<br />
Brechzahl wird über eine geeignete Dotierung eingestellt (siehe Abb. 1).<br />
Abbildung 1: Brechzahl dotierter Quarzgläser bei = 0; 6µm. (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik<br />
I)<br />
Die am häugsten zur Brechzahlerhöhung verwendeten Dotierungen sind Germaniumdioxid (GeO 2 )<br />
und P 2 O 5 .<br />
Die am häugsten zur Brechzahlsenkung verwendete Dotierung ist Fluor (F).<br />
Für dämpfungsarme Lichtwellenleiter ist ein hochreiner Herstellungsprozess notwendig, insbesondere<br />
für den Faserkern. Daher werden Glasfasern mit Hilfe chemischer Abscheidung aus der Dampfphase<br />
(CVD chemical vapour deposition) hergestellt. Ausgangspunkt sind dabei Halogenide, dabei insbesondere<br />
Chloride, beispielsweise SiCl 4 , woraus durch Oxidation das Quarzglas (SiO 2 ) gewonnen wird.<br />
SiCl 4 + O 2 ! SiO 2 + 2Cl 2 (1)<br />
Die Reaktion kann in beiden Richtungen verlaufen, wobei die komplette Umsetzung zu SiO 2 für Temperaturen<br />
T > 1800K erfolgt. Für den Dotiersto GeO 2 ist die Reaktion ähnlich:<br />
GeCl 4 + O 2 ! GeO 2 + 2Cl 2 (2)<br />
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Die maximale Umsetzung zu GeO 2 erfolgt bei T 1800K. Der Umsetzungswirkungsgrad ist jedoch<br />
relativ gering und liegt in der Gröÿenordnung von maximal 25 %.<br />
1. OVD-Verfahren (outside vapour deposition; Abb. 2)<br />
Abbildung 2: OVD-Verfahren für Faservorformen (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I)<br />
SiCl 4 und GeCl 4 liegen bei Raumtemperatur als Flüssigkeiten vor. Sauersto perlt durch diese<br />
Flüssigkeiten und nimmt als Trägergas Dämpfe dieser Verbindungen auf. Als Brenner wird normalerweise<br />
ein H 2 O 2 -(Knallgas)-Brenner verwendet. Das Glas wird schichtweise abgeschieden.<br />
Die Steuerung des relativen Anteils von SiO 2 und GeO 2 und damit des Brechzahlprols erfolgt<br />
durch Steuerung des Trägergases (O 2 ), das durch die Behälter mit SiCl 4 und GeCl 4 strömt. Es<br />
entsteht eine poröse Abscheidung (Glasruÿ). Die poröse Glasvorform lässt sich jedoch reinigen.<br />
Durch Spülen mit Chlorgas (Dehydrierung) kann z.B. der OH-Gehalt reduziert werden.<br />
H 2 O + Cl 2 ! 2<br />
HCl<br />
}{{}<br />
Salzsäure<br />
+ 1 2 O 2 (3)<br />
Die Reaktion ndet bei Temperaturen oberhalb von 1200 C statt. Gleichzeitig ergibt sich dann<br />
eine Verglasung der porösen Vorform. Derartige Vorformen wurden mit einer Masse von bis zu<br />
beispielsweise 1800 g (11 cm Durchmesser und 80 cm Länge) hergestellt, was eine Faserlänge<br />
von bis zu ca. 50 km erlaubt.<br />
2. VAD-Verfahren (vapour axial deposition)<br />
Beim VAD-Verfahren erfolgt die Abscheidung im Gegensatz zum OVD-Verfahren nicht radial,<br />
sondern axial (Abb. 3).<br />
Wie beim OVD-Verfahren werden auch hier H 2 O 2 -Brenner eingesetzt. Die Vorform dreht sich<br />
und die beiden Brenner passieren unterschiedliche Anteile von SiCl 4 und GeCl 4 , so dass durch<br />
eine geeignete Anordnung der Brenner das Brechzahlprol bestimmt wird. Die Dehydrierung<br />
und Verglasung erfolgt beim VAD-Verfahren ähnlich wie beim OVD-Verfahren, jedoch in einem<br />
Arbeitsgang.<br />
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Abbildung 3: VAD-Verfahren zur Herstellung von Faservorformen (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik<br />
I)<br />
Da es sich um einen geschlossenen Prozess handelt, ist ein sehr geringer OH-Gehalt bis unterhalb<br />
1 ppb (parts per billion ^= 1 Teil OH auf 10 9 Teile SiO 2 ) erzielbar. Dies entspricht<br />
einer Dämpfungserhöhung bei = 1; 39µm aufgrund der OH-Verunreinigungen von weniger als<br />
0; 04dB=km.<br />
3. MCVD-Verfahren (modied chemical vapour deposition)<br />
Ausgangspunkt ist ein Quarzrohr (es bildet später den Fasermantel), in das die Reaktionsgase<br />
eingeleitet werden (Abb. 4).<br />
Abbildung 4: MCVD-Verfahren zur Herstellung von Faservorformen (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik<br />
I)<br />
Die Bildung von SiO 2 und die Verglasung erfolgt hier in einem Schritt. Es werden ca. 30 bis 100<br />
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Schichten aufgewachsen. Eine Änderung der Brechzahl ist von Schicht zu Schicht durch eine<br />
Änderung der Gasüsse möglich. Da die Reaktion nur innerhalb des Quarzrohres stattndet,<br />
besteht nur eine geringe Gefahr von Verunreinigungen. Ein Nachteil des MCVD-Verfahrens besteht<br />
darin, dass keine Dehydrierung möglich ist, da keine poröse Vorform entsteht. Man erhält<br />
zunächst ein Quarzrohr mit abgeschiedenen dotierten Schichten (siehe Abb. 5a). Die Vorform<br />
ergibt sich nach Kollabieren des Vorformrohres. Bei Temperaturen von 2000 C zieht sich das<br />
Rohr durch Oberächenspannung zu einem Stab zusammen (siehe Abb. 5b). Der OH-Gehalt<br />
liegt bei MCVD-Fasern typischerweise in der Gröÿenordnung von weniger als 1ppm.<br />
Abbildung 5: (a) Quarzrohr mit abgeschiedenen Schichten, (b) kollabiertes Vorformrohr, (c) Herstellung<br />
der Faser durch Ziehen aus der Vorform<br />
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2 Faserherstellung<br />
Abb. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ziehofens. Der Ziehofen ist Teil der Faserziehmaschine<br />
(Abb. 6).<br />
Abbildung 6: Schematische Darstellung einer Faserziehmaschine (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik<br />
I)<br />
Die Ziehgeschwindigkeit beträgt typischerweise mehr als 10m/s. Beim Ziehprozess werden die Fasern<br />
zum Schutz mit einer Kunststoumhüllung (Dicke in der Gröÿenordnung von ca. 50µm) versehen.<br />
Es gibt auch die Möglichkeit, einen Quarzfaden mit einem verlustarmen Kunststo geringerer Brechzahl<br />
(z.B. Silikonharz) zu beschichten. Dabei entspricht der Quarzfaden dem Faserkern und die Kunststobeschichtung<br />
dem Fasermantel. Solche Fasern werden auch PCS-Fasern (plastic-clad-silica) genannt.<br />
Die Dämpfungscharakteristik einer solchen Faser ist in Abb. 7 dargestellt. Solche Fasern sind<br />
Vielmoden-Stufenfasern und können für kurze Übertragungsstrecken (z.B. in Fahrzeugen) eingesetzt<br />
werden.<br />
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Abbildung 7: Dämpfungscharakteristik einer Faser mit Quarzglaskern und Silikonharz-Mantel (Bild aus:<br />
Unger, Optische Nachrichtentechnik I)<br />
3 Festigkeit von Fasern<br />
Der fertige Lichtwellenleiter besteht aus der eigentlichen Quarzglas-Faser sowie der während des Ziehprozesses<br />
(siehe Abb. 6) aufgebrachten Kunststoumhüllung. Die erzielbare Festigkeit ist dabei ausschlieÿlich<br />
durch die Festigkeit des Quarzglases gegeben. Tatsächlich kann Quarzglas sehr stark belastet<br />
werden (Bruchdehnung ca. 5 %), solange die Oberäche nicht durch Kratzer oder ähnliches<br />
gestört ist. Die Kunststoumhüllung hat deshalb ausschlieÿlich die Aufgabe, die Quarzglas-Oberäche<br />
der Faser vor Kratzern oder sonstigen Beschädigungen zu schützen. Es ergibt sich dann eine sehr<br />
hohe Festigkeit, wobei die Festigkeit von Fasern als Prozentsatz der bei einer gegebenen Zugspannung<br />
gebrochenen Fasern angegeben werden kann. Dieser Zusammenhang wird im sogenannten<br />
Weibull-Diagramm aufgetragen. Ein Beispiel für Fasern hoher Festigkeit ist in Abb. 8 dargestellt.<br />
Aus Abb. 8 ergibt sich eine Festigkeit von ungefähr 4GPa = 410 9 N/m 2 , d.h. für eine Faser mit<br />
einem Durchmesser von 125µm eine Festigkeit von ca. 50 N.<br />
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Abbildung 8: Weibull-Diagramm: Fehlerraten in Abhängigkeit von der Zugspannung für 20 m und 1<br />
km Probenlänge einer hochfesten Faser (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I)<br />
4 Verkabelung von Fasern<br />
Die Verkabelung sollte so realisiert werden, dass möglichst keine mechanische Beanspruchung der Faser<br />
und keine Mikrokrümmungen auftreten. Ein häug angewandtes Verfahren ist die Hohlader-Technik.<br />
Bis zu ca. 20 Fasern werden in eine Hohlader lose eingelegt. Im allgemeinen wird die Hohlader dann noch<br />
mit einer gel-artigen Füllmasse gefüllt. Kabel lassen sich aus Vielfachen dieser Hohlader aufbauen. Die<br />
Abbildungen 9, 10 und 11 zeigen Beispiele dafür, wobei die Verkabelungskräfte durch ein Stützelement<br />
(häug aus Stahl oder hochwertigen Kunststoen, z.B. Kevlar) aufgenommen werden (siehe auch:<br />
R. Engel, "Lichtwellenleiterkabel", in E. Voges, K. Petermann, "Optische Kommunikationstechnik",<br />
Springer, 2002).<br />
Abbildung 9: Beispiel für ein Faserkabel mit einer Hohlader, hier bezeichnet als Bündelader (Bild aus:<br />
Unger, Optische Nachrichtentechnik I)<br />
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Abbildung 10: Beispiel für 70-faseriges Kabel (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I)<br />
Abbildung 11: Beispiel für 2000-faseriges Kabel (Bild aus: Unger, Optische Nachrichtentechnik I)<br />
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