DE602004009897T2 - Beschichtungsdispersion für optische fasern - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft härtbare Dispersionen, die als Schutzbeschichtungen auf optischen Wellenleitern aufgebracht sind. Nach dem Härten bei erhöhter Temperatur ermöglichen diese Beschichtungen den Durchgang von aktinischer Strahlung, die zum Modifizieren von Übertragungseigenschaften optischer Wellenleiter verwendet werden. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung Beschichtungszusammensetzungen bereit, umfassend in einem Polysiloxan gelöste fein dispergierte Partikel zum Erhalt von thermisch gehärteten Durchschreib-Beschichtungen, die eine Transparenz sowohl für sichtbare als auch ultraviolette Strahlung aufweisen, um Änderungen des Brechungsindex in einer optischen Faser zu erleichtern, die modifiziert sein kann, um faseroptische Gitter, einschließlich Dispersionskompensationsgitter, zu enthalten.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung eine Beschichtungsdispersion, eine gehärtete Beschichtung, ein Verfahren zur Zugturm-Aufbringung einer Nanocomposit-Beschichtungsdispersion auf eine optische Faser, eine beschichtete optische Faser, eine faseroptische Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden einer faseroptischen Vorrichtung.
  • Die Herstellungsverfahren für hochreine optische Glasfasern enthalten typischerweise eine Reihenbeschichtungsanlage zum Aufbringen schützender Polymerbeschichtungen auf aus einem geschmolzenen oder einem festen Vorformling gezogene Fasern. Eine derart gezogene Glasfaser weist eine sehr hohe Zugfestigkeit auf. Defekte entwickeln sich auf der Oberfläche einer optischen Faser während des Kontakts mit Feststoffen und vielen Flüssigkeiten. Dies führt zur unerwünschten Schwächung der optischen Faser. Eine Schutzbeschichtung, die vor dem Kontakt der Faser entweder mit Kontaminanten oder festen Oberflächen aufgebracht wird, unterstützt die Beibehaltung der eigenen hohen Festig keit, da sie die Faser schützt.
  • Herkömmliche Verfahren zum Einbringen von lichtmodifizierenden Merkmalen in beschichtete optische Fasern erfordern die Entfernung von Schutzbeschichtungen von hergestellten optischen Faserstrukturen. Die Beschichtungen schwächen typischerweise den Durchgang von ultravioletter Strahlung ab. Die Belichtung von gehärteten optischen Fasern mit ultravioletter Strahlung von hoher Intensität für Variationen des Brechungsindexes durch die Beschichtung verursacht im Allgemeinen eine Beschichtungszersetzung und einen Abbau der Strahlungsintensität, der den Kern der optischen Faser erreicht. Es ist erwünscht, dass die Modifikation von Lichtübertragungseigenschaften von optischen Fasern eine Vielfalt an speziellen Merkmalen in ausgewählten, relativ kurzen Längen von optischen Fasern enthält, um in faseroptische Systeme und Vorrichtungen gespleißt oder ansonsten eingebracht zu werden.
  • Ein Bragg-Fasergitter stellt ein lichtmodifizierendes Merkmal dar, dass in eine optische Faser durch Belichtung mit ultravioletter Strahlung eingebracht oder geschrieben werden kann. Gitter können für eine Vielfalt an Anwendungen geschrieben werden, einschließlich Dispersionskompensation, Steuerung der Wellenlänge von Laserlicht und Modifizierung der Verstärkung von Verstärkern für optische Fasern.
  • Ein Vermögen zur Variation des Brechungsindexes durch die Beschichtung von optischen Fasern würde die Notwendigkeit des Entfernens von Schutzbeschichtungen vor der Modifizierung des Kerns einer optischen Faser überwinden. Die Verwendung einer im Wesentlichen für Strahlung transparente Beschichtung oder einer Durchschreib-Beschichtung mäßigt die Notwendigkeit, ein schützendes Wiederbeschichtungsmaterial nach dem Belichten einer beschichteten optischen Faser mit ultravioletter Strahlung aufzubringen. Die Eliminierung von Verfahrensschritten trägt zur Herstellungseffizienz bei niedrigeren Kosten bei.
  • Durchschreib-Beschichtungen für optische Fasern wurden für eine Vielfalt von Polymertypen, einschließlich fluorierte Polymere und Polysiloxanmaterialien, beschrieben. Claesson et al. (International Wire & Cable Symposium Proceedings 1997, Seite 82–85 (46. Philadelphia, PA)) verwendet zwei Polymere zum Beschichten von optischen Germanosilikatfasern vor der Belichtung mit einem Muster aus ultravioletter Strahlung, um Bregg-Gitter in so durch die Polymerbeschichtungen belichteten optischen Fasern zu erzeugen. Bei den durch Eintauchen in Lösungsmittel oder durch Matrizenziehen aufgebrachten Beschichtungen handelte es sich um TEFLON AF 1600 und KYNAR 7201. Bei einer Belichtung von dünnen (20 μm–50 μm) Folien von KYNAR 7201 mit einem gepulsten gepumpten Excimerfarblaser mit doppelter Frequenz bei einer Wellenlänge von 242 nm baute sich der Kunststoff schnell ab, dunkelte nach und zersetzte sich.
  • Kein Abbau wurde bei auf zusätzlich gedopten Borfasern aufgetragenen Filmen (6 μm) von TEFLON AF 1600, während der Belichtung mit einem gepulsten gepumpten Excimerlaser mit doppelter Frequenz bei 242 nm, um unter Verwendung einer interferometrischen Technik ein Bragg-Gitter (1 cm lang) zu schreiben, beobachtet. Die angesetzte Fluenz im Kern pro Puls betrug 1 J/cm2 und die angesammelte Dosis zum Schreiben der Muster 140 J/cm2. Optische Fasern wurden unter Verwendung von relativ groben Bedingungen, einschließlich der Verwendung eines Fluorsilans und Erwärmen auf 330°C für eine Dauer von 10 bis 15 Minuten zum Verbessern der Haftung beschichtet.
  • Imamura et al. (Electronics Letters, Band 34, Nr. 10 Seite 1016–1017) beschreibt die Herstellung einer beschichteten optischen Faser und zum Belichten der Faser mit ultravioletter Strahlung während des Schreibens eines Bragg-Gitters verwendete Bedingungen. Die ultraviolette Strahlungsquelle war ein bei 266 nm betriebener Q-geschalteter Yaglaser mit vierfacher Frequenz. Dieser Laser konnte eine mittlere Leistung von 100 mW bei einer Wiederholung von 10 Hz mit einer Pulsdauer von 50 ns liefern. Die Beschreibung enthält des Weiteren Details über Bedingungen, die zum Bilden eines Bragg-Gitters verwendet werden.
  • Die einzigen das Faserbeschichtungsmaterial betreffenden Informationen beschreiben es als ein mit einem Fotoinitiator zur erhöhten Transparenz bei 266 nm formuliertes ultravioletthärtbares Harz. Empfohlene Bedingungen zum Bilden eines Bragg-Gitters durch eine Beschichtung mit 60 μm des Harzes schließen eine 10 minütige Belichtung mit einer Dosis von 150 J/cm2 ein. Bei diesen Bedingungen betrug die Ultraviolettabsorption bei 266 nm Wellenlänge < 1,07.
  • Chao et al. (Electronics Letters, Band 35, Nr. 11 (27. Mai 1999) und US 6,240,224 ) erörtern Nachteile von früheren Versuchen zum Schreiben von Gittern durch Beschichtungen über optischen Fasern vor der Erörterung der Verwendung einer thermisch gehärteten Siliziumbeschichtung (RTV 615). Dieses Material weist geeignete Transparenz für ultraviolette Strahlung auf, da es keinen Fotoinitiator enthält, der die Intensität des ultravioletten Strahls abschwächen würde. Ein Ultraviolettspektrum zeigt, dass eine Silikonschicht mit einer Dicke von 150 μm zwischen Siliziumdioxidplatten 85% der einfallenden Strahlung bei einer Wellenlänge von 225 nm überträgt. Von 225 nm bis 235 nm und darüber gibt es einen stufenweisen Anstieg der Strahlungsübertragung auf 92%. Eine geringe Absorption von ultravioletter Strahlung bietet die Möglichkeit, Bragg-Gitter durch die Silikonkautschukbeschichtung unter Verwendung entweder eines Argonionenlasers mit doppelter Frequenz bei 244 nm oder eines KrF- Excimerlasers bei 248 nm zu schreiben.
  • Wenngleich sowohl Beschichtungsschritte als auch -bedingungen weggelassen werden, beschreibt ein Patent an Aspell et al. US 5,620,495 ) die Bildung eines optischen Fasergitters durch Schreiben durch eine Methylsilsesquioxanbeschichtung. Es ist bekannt, dass Organosilsesquioxanbeschichtungen beim Härten eine erhebliche Schrumpfung durchmachen. Bagley et al. ( US 4,835,057 ) beschreibt z. B. Glasfasern mit Organosilsesquioxanbeschichtungen, die beim Schutz des darunterliegenden optischen Kerns versagen, wenn sie als Beschichtungsschicht verwendet werden, die weniger als 5 μm dick sind. Honjo et al. ( US-Patentschrift 5,052,779 ) beschreibt Organosilsesquioxane als Polysiloxane vom Leitertyp mit geringer Dehnung. Eine geringe Dehnung führt zur Rissbildung während des Härtens von aus diesen Materialien hergestellten Beschichtungen. Gemäß der Quellenangabe kann das Rissbildungsproblem reduziert werden, wenn die Beschichtungsformulierung ein lineares Polymethylsiloxan mit Hydroxygruppen und Lösungsmittel zusätzlich zum Polymer vom Leitertyp enthält. Bautista et al. ( US 4,962,067 ; EP 902 067 und EP 1 123 955 ) beschreibt die Wirkung von Viskositätsvariation auf die Eigenschaften von Beschichtungen, die Siloxanpolymere vom Leitertyp enthalten.
  • Wie vorstehend beschriebene transparente Beschichtungen, sind als Durchschreib-Beschichtungen bekannt. Chao et al. (Electronics Letters, Band 35 Nr. 11 (27. Mai 1999) und US 6,240,224 ) empfehlen tatsächlich die Verwendung von thermisch gehärteten Silikonbeschichtungen als Kandidatmaterialien für Durchschreib-Beschichtungen. Die Aufbringung von thermisch gehärteten Silikonen auf optische Fasern bewahrt durch Vermeiden der Verwendung von zusammengesetzten Bestandteilen, die ultraviolette Strahlung absorbieren können, eine maximale Ultraviolettetransparenz. Die Strahlungsabsorption während der periodischen Modifikation des Brechungsindexes einer optischen Faser stört die Bildung eines Brechungsindexgitters in der Faser.
  • Claesson et al. (International Wire & Cable Symposium Proceedings 1997, Seite 82–85 (46. Philadelphia, PA)) beschreibt die Verwendung von fluorierten Polymeren als Durchschreib-Beschichtung. Imamura et al. (Electronics Letters, Band 34 Nr. 10 Seite 1016–1017) erörtert lichthärtbare Harze, die Fotoinitiatoren mit minimaler Absorption in einem Teil des ultravioletten Spektrums enthalten. Diese Durchschreib-Harze wurden nicht bestimmt. Andere Auslassungen aus den vorstehenden Beschreibungen enthalten die Verwendung von kontinuierlichen Verfahren zum Aufbringen von Durchschreib-Beschichtungen und die Bedingungen und die Menge an erforderlicher Zeit zum Härten ausgewählter Beschichtungen rings um die Faser herum. Derartige Auslassungen verstärken die Notwendigkeit der Verbesserung in Beschichtungszusammensetzungen und von Verfahren zum Aufbringen von Durchschreib-Beschichtungen auf optische Fasern, so wie Verbessern der Herstellungsgeschwindigkeit für optische Faservorrichtungen, einschließlich auch als Bragg-Gitter bezeichneter Brechungsindexgittern.
  • Die vorliegende Erfindung stellt Beschichtungsdispersionen zum Aufbringen auf eine siliziumdioxidhaltige optische Faser unter Zugturm-Bedingungen nach der Bildung der aus einem Glasvorformling gezogenen optischen Faser bereit. Erfindungsgemäße Beschichtungsdispersionen umfassen feine Partikel, die kleiner als 0,1 μm sind. Derartig kleine Partikel können als Nanopartikel beschrieben werden, die durch eine Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometer (nm) gekennzeichnet sind. Nanopartikel enthalten typischerweise Partikel aus Metallen, Oxiden, Nitriden, Carbiden, Chloriden oder dergleichen. Die Verwendung von Nanopartikeln, insbesondere anorganischer Oxidnanopartikel und oberflächenbehandelter anorganischer Oxidnanopartikel stellen Beschichtungsdispersionen, hier auch als Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen bezeichnet, bereit. Anorganische Oxide, die Siliziumoxid, Zirkoniumdioxid, Hafniumoxid, Aluminiumoxid und Vanadiumoxid, gemischte Oxide und Gemische davon enthalten, können auf ihr Fehlen von Absorption von ultravioletter Strahlung ausgewählt sein, um erfindungsgemäße Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen herzustellen. Eine Nanocomposit-Beschichtungsdispersion umfasst Oxidnanopartikel, die in einem Organosilsesquioxanpolymer dispergiert sind, wobei Beschichtungszusammensetzungen von erhöhter Dichte und größerer Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung durch Härten bereitstellen, als früher bekannte Organosilsesquioxanbeschichtungen bereitgestellt werden. Mindestens ein Vorteil der Verwendung von Oxidnanopartikeln in Beschichtungen für erfindungsgemäße optische Fasern ist die Verbesserung von Abriebsfestigkeit von gehärteten Nanocomposit-Beschichtungen. Ein weiterer Vorteil ist die Beibehaltung von Transparenz von gehärteten Beschichtungsdispersionen, die die Modifikation des Brechungsindexes einer optischen Faser unter Verwendung von Strahlung von einem Bereich an Wellenlängen in sichtbaren und ultravioletten Bereichen des Spektrums mit mindestens einer Schutzbeschichtung um die optische Faser ermöglicht. Eine geeignete Auswahl an anorganischem Oxid oder Oxidgemischen ermöglicht die Steuerung der Brechungsindexeigenschaften von Beschichtungen optischer Fasern je nach Brechungsindex und Konzentration von Nanopartikeln in der Dispersion. Eine Zunahme des Brechungsindexes von demjenigen des Polyorganosilsesquioxans tritt mit zunehmender Konzentration eines ausgewählten anorganischen Oxids auf, das einen Brechungsindex aufweist, der höher ist als der des Polyorganosilsesquioxans. Eine andere Vorgehensweise für Brechungsindexvariationen bewahrt eine konstante Gesamtkonzentration des anorganischen Oxidgemischs, das zwei oder mehrere Oxide mit unterschiedlichen Brechungsindexeigenschaften umfasst. Die Einstellung des Oxidverhältnisses bewirkt eine Änderung im Brechungswinkel der Nanocomposit-Beschichtungsdispersion und den aus der Beschichtungsdispersion hergestellten gehärteten Beschichtungen. Die wie angegebene Manipulation von Oxidzusammensetzung und -konzentration erzeugt gehärtete Nanocompositschichten mit einem Brechungsindex im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,7. Es ist möglich, Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen zum Herstellen von optischen Fasern zu verwenden, die mit mindestens einer Materialschicht mit einem gesteuerten Brechungsindex beschichtet sind, der gleich oder höher ist als der Brechungsindex der Umhüllung der optischen Faser.
  • Die Zugturm-Aufbringung von erfindungsgemäßen Nanocomposit-Beschichtungen schützt die Oberfläche einer frisch gezogenen optischen Faser vor Beschädigung. Eine geschützte optische Faser bewahrt im Wesentlichen ihre physikalischen Eigenschaften während der Verarbeitung und Handhabung zum Abwickeln und Modifikation der optischen Faser durch Wasserstoffbelastung, Schreiben von Brechungsindexgittern und Tempern der modifizierten optischen Faser. Obwohl abgeschwächte Polymerbeschichtungen entfernt werden können, um ein Brechungsindexgitter wie ein Dispersionskompensationsgitter in eine optische Faser zu schreiben, schützt die Verwendung von erfindungsgemäßen Durchschreib-Nanocomposit-Beschichtungen die optische Faser während des Schreibens und der betreffenden Verarbeitung. Derartige Beschichtungen, die Oxidnanopartikel in einer Matrix aus einem Organosilsesquioxan wie ein Methylsilsesquioxan enthalten, sind nach dem Härten bei erhöhten Temperaturen auf der Oberfläche von durch optische Glasfasern veranschaulichten Glassubstraten sowohl für sichtbare als auch ultraviolette Strahlung transparent.
  • Eine Beschichtung, die auf der Oberfläche einer optischen Faser während des Schreibens eines Brechungsindexgitters bleibt, ist als „Durchschreib-Beschichtung" bekannt. Die vorherige Arbeit bestimmte Schutzpolymere mit Transparenz für ultraviolette Strahlung. US-Patentschrift Nr. 5,620,495 beschreibt die Verwendung von Polymetyhlsilsesquioxan als ein Durchschreib-Beschichtungsmaterial für eine optische Faser. Es gibt keinen Hinweis auf die Verwendung von mit Nanopartikel gefüllten Beschichtungszusammensetzungen. Auch lässt diese Quellenangabe die Verfahrensschritte und die zum Erzielen der Brechungsindexgitterbildung unter Verwendung eines Ultraviolettlasers erforderliche Zeit weg. Wie vorstehend erörtert, sind Quarzstaubmaterialien im Allgemeinen für erfindungsgemäße dispergierte Pulver ungeeignet.
  • Die US-Patentschriften Nr. 4,946,874 und 5,169,879 geben die optionale Verwendung von Quarzstaub und vorzugsweise eines in Benzol löslichen Silikonharzes als Verstärkungsmittel für die erste Beschichtung von optischen Fasern an. Es gibt nichts, das die Durchschreib-Fähigkeit von Quarzstaubverstärkungsmitteln enthaltenden Beschichtungen darstellt.
  • US-Patentschrift Nr. 4,835,057 beschreibt Glasfasern mit Organosilsesquioxanbeschichtungen und Umhüllungen, merkt jedoch an, dass „Umhüllungen mit einer Dicke von weniger als 5 Mikron beim Herstellen des gewünschten Schutzeffekts versagen". Als faseroptische Beschichtungen verwendete Silsesquioxanpolymere schrumpfen beim Härten. US-Patentschrift Nr. 5,052,779 vermerkt, dass Polysiloxane (Organosilsesquioxan) vom Leitertyp eine sehr geringe Dehnung aufweisen, die zu gerissenen Beschichtungen führen könnte. Die veröffentlichte Anmeldung EP 902 067 beschreibt des Weiteren die Verwendung von Leiterpolysiloxanbeschichtungen.
  • Andere Berichte von Durchschreib-Beschichtungen be treffen standardmäßige faseroptische Beschichtungen, typischerweise aus Acrylat, unter Verwendung von Argonionen Nah-W-Lasern (325–364 nm, jedoch besonders typisch 351 nm) oder dreifachen YAG mit 355 nm, für Durchschreib-Variationen des Brechungsindexes. Selbst mit diesen Modifikationen berichtet Canning et al. in Optics Communications, Band 214, Seite 141, 2002, dass standardmäßige faseroptische Beschichtungen eine mäßige Absorption aufweisen, die in Kombination mit beschränkter Glaslichtempfindlichkeit bei längeren Wellenlängen zu viel längeren Gitterschreibzeiten führt.
  • Nanocomposit-Beschichtungen sind günstigerweise mit anderen Durchschreib-Beschichtungen, wie diejenigen, die durch Abscheiden von diamantartigen Glasfilmen bereitstellen, die eine Schutzschicht über zum Beispiel der optischen Faserumhüllung bilden, vergleichbar. Die veröffentlichte Anmeldung WO 01/66484 A1 beschreibt diamantartige Beschichtungen und Verfahren zu deren Aufbringung zum Schützen optischer Fasern mit geeigneter Strahlungsempfindlichkeit aus einem Ultraviolettlaser zur Einbringung von Brechungsindexgittern in die optische Faser. Diamantartiges Glas (DLG), das für ultraviolette Strahlung transparent ist, erfordert ein getrenntes Aufbringungsverfahren nach Bildung der optischen Faser in einem Zugturm. Das Verfahren schließt das Abziehen einer standardmäßigen Acrylatbeschichtung von der optischen Faser vor Abscheidung des DLG-Materials bei Geschwindigkeiten von etwa 0,6 m/min. (zwei Fuß pro Minute) ein. Ein Verfahren zum Abscheiden eines diamantartigen Glasfilms auf einer optischen Faser ergibt typischerweise mehrere hundert Meter an behandelter Faser.
  • Demgegenüber wurde nachgewiesen, dass optische Fasern in einem Zugturm mit erfindungsgemäßen Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen beschichtet werden können. Das Aufbringen von Beschichtungsmaterial während des Faserziehens verläuft bei Beschichtungsgeschwindigkeiten bis zu etwa 60 Meter pro Minute. Dies ermöglicht, dass Längen von mehreren Kilometern hergestellt werden können, die vielmehr nur durch die Größe des Glasvorformlings beschränkt sind, als durch die zum Aufbringen eines DLG-Films auf eine abgezogene optische Faser erforderliche längere Zeit. Erhöhte Behandlungsgeschwindigkeiten und -volumina an behandelter optischer Faser bieten verglichen mit diamantartigen Glasdurchschreib-Abscheidungen Vorteile bei der Effizienz und Kosteneinsparung.
  • Die Herstellung von höchst dispergierte Nanopartikel enthaltenden Composit-Beschichtungszusammensetzungen kann die Oberflächenbehandlung der Partikel mit Oberflächen-Modifikationsmitteln wie Carbonsäuren, Silanen und anderen Typen von oder Gemischen aus Dispergiermitteln enthalten. Die Oberflächenbehandlung verbessert die Verträglichkeit zwischen den Nanopartikeln und der Organosilsesquioxandispersionsphase von beispielhaften Zusammensetzungen.
  • Besonders geeignete erfindungsgemäße Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen umfassen dispergierte Oxidsolpartikel in einer Organosilsesquioxanzusammensetzung, die eine geringe Neigung zur Thixotropie zeigen. Dieses Verhalten unterscheidet sich von Quarzstaub und betreffende Materialien enthaltenden thixotropen Dispersionen, die spannungsbezogene Variationen an Viskosität und Fluss verursachen, die für in einem Zugturm für optische Fasern aufgebrachte Beschichtungen unerwünscht sind. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine Beschichtungsdispersion, umfassend ein Polyalkylsilsesquioxanpolymer und ein im Organosilsesquioxanpolymer dispergiertes Oxidpulver bereit.
  • Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine ein Polyorganosilsesquioxanpolymer und ein im Polyorganosilsesquioxanpolymer dispergiertes Oxidpulver um fassende Beschichtungsdispersion bereit. Das Oxidpulver ist ein anorganisches Oxidpulver, das aus gemischten Oxiden und Oxidgemischen aus Silizium, Zirkonium, Aluminium, Vanadium und Hafnium ausgewählt ist. Ein geeignetes Oxidpulver weist einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 auf und enthält mehrere Partikel mit Partikelgrößen von weniger als 100 Nanometern, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometer in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen. Die Beschichtungsdispersion ist thermisch härtbar, um eine für ultraviolette Strahlung transparente gehärtete Beschichtung bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren eine gehärtete Beschichtung bereit, die ein thermisch gehärtetes Polyorganosilsesquioxan und ein Oxidpulver des vorstehend beschriebenen Typs umfasst. Die gehärtete Beschichtung ist für ultraviolette Strahlung transparent. Die Transparenz der Beschichtung für Strahlung hält vorzugsweise für eine Zeit von etwa 3,0 Sekunden bis > 300 Sekunden während der Belichtung mit 500 W/cm2 ultravioletter Strahlung an. Bei niedrigeren Strahlungsintensitäten von etwa 250 W/cm2 hält die Transparenz der Beschichtung vorzugsweise etwa 18 Sekunden bis > 300 Sekunden an.
  • Die vorliegende Erfindung schließt ein Verfahren zur Zugturm-Aufbringung einer gehärteten Schicht aus einer Nanocomposit-Beschichtungsdispersion auf eine optische Faser, vorzugsweise direkt auf eine frisch gezogene siliziumdioxidhaltige optische Faser ein. Verfahrensschritte schließen das Bereitstellen einer Nanocomposit-Beschichtungsdispersion, umfassend ein Polyorganosilsesquioxan und ein im Polyorganosilsesquioxan dispergiertes Oxidpulver, ein, um eine Beschichtungsdispersion bereitzustellen, in welcher das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometer in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen. Die Beschichtungsdispersion weist Haftung auf der optischen Faser auf. Nach der Zuführung der Nanocomposit-Beschichtungsdispersion zu einer Beschichtungsdüsenanordnung im Zugturm für optische Fasern wird die Nanocomposit-Beschichtungsdispersion auf die optische Faser aufgebracht. Das Härten der Nanocomposit-Beschichtungsdispersion bei erhöhter Temperatur stellt eine gehärtete Durchschreib-Beschichtung mit einer Dicke im Bereich von etwa 2 μm bis etwa 10 μm auf der optischen Faser bereit. Die gehärtete Durchschreib-Beschichtung weist eine Transparenz auf, die für etwa 18 Sekunden bis > 300 Sekunden während der Belichtung mit 250 W/cm2 mit ultravioletter Strahlung anhält. Eine oder mehrere Schichten der Nanocomposit-Beschichtung können unter Verwendung geeigneter Düsenanordnungen aufgebracht werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren eine beschichtete optische Faser bereit, umfassend: eine siliziumdioxidhaltige optische Faser, die einen Kern in einer Umhüllung enthält; und eine gehärtete Beschichtung, umfassend: ein thermisch gehärtetes Polyorganosilsesquioxan; und ein in dem gehärteten Polyorganosilsesquioxan dispergiertes Oxidpulver, wobei das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 2,1 bis 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als 100 Nanometern in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen, die gehärtete Beschichtung Haftung an der siliziumdioxidhaltigen optischen Faser aufweist und des Weiteren Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren eine beispielhafte faseroptische Vorrichtung bereit, die eine optische Faser mit Strahlungsempfindlichkeit umfasst. Die optische Faser enthält eine gehärtete Beschichtung, die für Strahlung transparent ist. Die gehärtete Beschichtung umfasst ein gehärtetes Polyorganosilsesquioxan und ein im gehärteten Polyorganosilsesquioxan dispergiertes Oxidpulver, um die gehärtete Beschichtung mit Haftung an der optischen Faser bereitzustellen. Die beschichtete optische Faser enthält eine durch Strahlung induzierte Variation des Brechungsindexes, die in der optischen Faser während des Durchgangs der Strahlung durch die gehärtete Beschichtung erzeugt wird, um die faseroptische Vorrichtung bereitzustellen, wobei das Oxidpulver mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält und wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als 100 Nanometern in der gehärteten Beschichtung in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen.
  • Geeignete faseroptische Vorrichtungen enthalten faseroptische Gitter, veranschaulicht durch Wellenlängenselektierfilter, Pumpstabilisierungsgitter, Dispersionskompensationsgitter, Verstärkungsabflachungsfilter und Gitter mit langer Dauer.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren ein Verfahren zum Bilden einer faseroptischen Vorrichtung bereit, umfassend die Schritte des Bereitstellens einer lichtempfindlichen optischen Faser; Beschichten der lichtempfindlichen optischen Faser mit einer Durchschreib-Beschichtung, die für ultraviolette Strahlung transparent ist. Die Durchschreib-Beschichtung umfasst ein Polyorganosilsesquioxan; und ein im Polyorganosilsesquioxan dispergiertes Oxidpulver, um eine Beschichtungsdispersion bereitzustellen, in welcher das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometer enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der gehärteten Beschichtung in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen. Die Beschichtungsdispersion weist Haftung auf der lichtempfindlichen optischen Faser auf; Härten der Beschichtungsdispersion, um eine beschichtete optische Faser bereitzustellen, die darauf eine gehärtete Durchschreib-Beschichtung mit Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist; und Belichten der beschichteten optischen Faser mit ultravioletter Strahlung, um eine Änderung des Brechungsindexes in der beschichteten optischen Faser herzustellen, um die faseroptische Vorrichtung bereitzustellen.
  • Die zum Beschreiben der vorliegenden Erfindung verwendeten Begriffe entsprechen den folgenden Definitionen.
  • Der Begriff „Nanopartikel" bezeichnet eine Partikelgröße von weniger als 0,1 μm (100 nm). Nanopartikel enthaltende Pulver umfassen die dispergierte Phase von erfindungsgemäßen Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen.
  • Begriffe wie „Nanocomposit-Beschichtung" oder „Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen" und dergleichen betreffen Fluidbeschichtungsdispersionen, umfassend eine Fluiddispersionsphase, die eine dispergierte Phase einschließlich eines Nanopartikelpulvers enthält.
  • Begriffe wie „Silsesquioxan" oder „Organosilsesquioxan" oder „Polyorganosilsesquioxan" oder dergleichen betreffen die Fluiddispersionsphase einer Nanocomposit-Beschichtungsdispersion. Die Dispersionsphase kann eine Mischung aus Fluida oder zugesetzten Lösungsmittel enthalten, die eine Lösungsdispersionphase bereitstellen.
  • Der Begriff „Nanopartikelpulver" oder „Oxidpulver" oder dergleichen, betrifft wie hier verwendet, ein Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 100 nm. Nanopartikelpulver können ausgewählt sein aus pulverförmigen Oxiden, enthaltend ein einzelnes Oxid, ein Gemisch aus verschiedenen Oxiden und gemischten Oxiden, zusammengesetzt aus einzelnen Teilchen von gemischten Oxiden, z. B. zirkoniumbehandeltes Siliziumdioxid.
  • Der Begriff „Durchschreib-Beschichtung" oder „Beschichtung mit Transparenz" oder dergleichen betrifft Nanocomposit-Beschichtungen, die feste Nanopartikel enthalten, aber dennoch den Durchgang von Strahlung, typischerweise ultravioletter Strahlung, durch die Beschichtung zum Modifizieren der physikalischen Eigenschaften, z. B. des Brechungsindexes, der darunterliegenden Strukturen, insbesondere von siliziumdioxidhaltigen optischen Fasern ermöglichen. Eine gehärtete Durchschreib-Beschichtung weist einen Brechungsindex im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 1,7 auf.
  • Der Begriff „Gewichtsmittel des Molekulargewichts" betrifft Molekulargewichte von Polyorganosilsesquioxanen, bestimmt durch das Verfahren der Gel-Permeations-Chromatografie, unter Verwendung einer Säule vom Typ Polymer Labs PL Gel Mixed B in einem Abscheidermodul von Waters 2695, betrieben bei 35°C in THF mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,1 ml/min. Änderungen in der Konzentration wurden durch einen Brechungsindexdetektor von Wyatt Optilabs erfasst, und die Molekulargewichte wurden auf der Basis einer Kalibrierung bestimmt, die aus engen Dispersionspolystyrolen im Molekulargewichtsbereich von 580 bis 7,5 × 106 hergestellt waren.
  • Alle Prozentangaben, Teile und Verhältnisse betreffen hier das Gewicht, z. B. Gewichtsprozent (Gew.%), wenn nicht anders angegeben.
  • Wie erforderlich, sind detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier offenbart, jedoch sollte es klar sein, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele der Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein kann. Deshalb sind spezifische hier offenbarte Details nicht als Beschränkung, sondern lediglich als eine Basis für die Ansprüche und als repräsentative Basis auszulegen, um dem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung variabel einzusetzen.
  • Die Änderung des Brechungsindexes im Kern oder in der Umhüllung einer siliuziumdioxidhaltigen optischen Faser erfordert typischerweise die Belichtung der blanken optischen Faser durch Abziehen ihrer Schutzbeschichtungen. Die Entfernung von Beschichtungen stellt eine abgezogene optische Faser bereit, die für Beschädigungen durch Aufprall oder Oberflächenkontaminaten anfällig ist. Einer beschädigten optischen Faser kann die physikalische Festigkeit zum Erfüllen ihrer beabsichtigten Funktion fehlen. Eine derartige Beschädigung könnte vermieden werden, wenn zumindest eine Schutzschicht während der Modifikation der Eigenschaften der optischen Faser an Ort und Stelle bleibt. Dies ist unter Verwendung von erfindungsgemäßen Beschichtungsdispersionen möglich, die nach dem Härten transparent und während der Belichtung mit ultravioletter Laserbestrahlung von hoher Intensität im Wesentlichen stabil sind. Oxid- und gemischte Oxidnanopartikel und oberflächenbehandelte Versionen davon, geeigneterweise in einer Polysilosanmatrix dispergiert, stellen Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen bereit, die sowohl für sichtbares Licht als auch für ultraviolette Strahlung von zum Herstellen von Fasergittern in optischen Fasern verwendeten Lasern mit hoher Intensität transparent sind.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Durchschreib-Beschichtung für optische Fasern bereit. Eine Durchschreib-Beschichtung ermöglicht die Einbringung von Brechungsindexänderungen in einen ausgewählten Abschnitt einer optischen Faser, während die Glasfaser vor Beschädigung geschützt ist. Herkömmliche Produkte aus optischer Faser schließen Beschichtungen ein, die typischerweise ultraviolette Strahlung absorbieren, die von einem zum Einbringen von Brechungsindexänderungen verwendeten Laser emittiert werden. Ultraviolettlaser induzierten Änderungen des Brechungsindexes in einer optischen Faser folgt typischerweise die Belichtung zur vollen Intensität des Lasers. Dies erklärt den Bedarf des Entfernens von herkömmlichen Beschichtungen von einer optischen Faser, um die volle Wirkung der Laserenergie auf die optische Faser zu erhalten. Die Entfernung von Beschichtungen bringt die resultierende blanke optische Faser in einen Zustand zurück, in welchem sie während des Schreibens und anschließenden Widerbeschichtens, z. B. mit einem faseroptischen Gitter, für Beschädigungen anfällig ist.
  • Ein besonderer Vorteil von schützenden erfindungsgemäßen Durchschreib-Beschichtungen ist die zum Schreiben eines Dispersionskompensationsgitters von langer Länge, die eine beträchtliche Länge einer optischen Faser belegt, bereitgestellte Fähigkeit. Ohne den Schutz der Durchschreib-Beschichtung würde der Kontakt zwischen der optischen Faser und der Handhabungsanlage die Zuverlässigkeit des Dispersionskompensationsgitters von langer Länge gefährden und einen Verlust der mechanischen Integrität der blanken optischen Glasfaser verursachen.
  • Im Allgemeinen kann eine Nanocomposit-Beschichtungsdispersion als eine Polymermatrix definiert werden, die gut dispergierte Nanopartikel enthält. Die optimale Dispersion der Nanopartikel in einer Polymermatrix kann von der Oberflächenbehandlung der Nanopartikel mit aus Carbonsäuren, Silanen und Dispergiermitteln ausgewählten Oberflächen-Modifikationsmitteln abhängen.
  • Geeignete saure Oberflächen-Modifikationsmittel schließen 2[2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]essigsäure und Hexansäure ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Silan-Oberflächen-Modifikationsmittel schließen Methyltriethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan und Isooxtyltrimethoxysilan ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
  • In der vorliegenden Erfindung nützliche Nanopartikel können nach Bedarf oberflächenbehandelt werden, um eine Verträglichkeit zwischen der polymeren Dispersionsphase und den dispergierten Nanopartikeln zu erzielen. Zunehmende Mengen an Oberflächen-Modifikationsmitteln bis zur nahezu einschichtigen Bedeckung scheinen sowohl die Transparenz als auch die Stabilität von Nanopartikeldispersionen zu erhöhen. Es scheint in einigen Fällen, dass zuviel Oberflächen-Modifikationsmittel die Dispersionsstabilität ungünstig beeinflusst.
  • Dispersionen von geeigneter Transparenz stellen erfindungsgemäße Durchschreib-Beschichtungen bereit, die einen Nanopartikelgehalt in einem breiten Bereich von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% aufweisen. Die Beschaffenheit der Ergebnisse wurde verbessert, als der Bereich zwischen 15 Gew.% und 35 Gew.% eingegrenzt wurde. Beschichtungszusammensetzungen, die erhöhte Mengen an oberflächenbehandelten Nanopartikeln enthalten, weisen tendenziell eine reduzierte Transparenz auf. Ein hervorstechendes Merkmal von mit Zirkoniumdioxidnanopartikeln gefüllten Durchschreib-Beschichtungen im Vergleich zu vorstehend berichteten Durchschreib-Beschichtungen ist die Bereitstellung einer Schutzschicht mit einem Brechungsindex, der denjenigen einer typischen Umhüllung einer optischen Faser übersteigt. Eine Beschichtung dieses Typs mit einem hohen Brechungsindex stellt Vorteile bereit, die unerwünschte optische Eigenschaften in verschiedenen Fasern und Vorrichtungsanwendungen überwinden, wenn die Faserumhüllung auf Grund der Verwendung einer faseroptischen Beschichtung mit einem Brechungsindex von weniger als demjenigen der Umhüllung als multimodaler Wellenleiter wirkt. Es wird geschätzt, dass der Brechungsindex von Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen je nach verwendbaren Nanopartikeln oder Nanopartikelgemischen in einem breiten Bereich an Brechungsindizes eingestellt werden kann. Es bestehen mindestens zwei mögliche Vorgehensweisen zum Einstellen oder Abstimmen des Brechungsindexes von Nanocomposit-Beschichtungen. Die erste bezieht das Abstimmen des Brechungsindexes als eine Funktion der Konzentration eines dispergierten Oxids oder Oxidgemisches in der Dispersionsphase von Organosilsesquioxan ein. Ein zweites Verfahren hält das Oxid unter Verwendung der Verhältnisse von zwei oder mehreren Typen an sich im Brechungsindex unterscheidenden Nanopartikeln zum Abstimmen des Brechungsindexes der Nanocomposit-Beschichtungsdispersion bei einer festen Konzentration oder innerhalb eines engen Konzentrationensbereichs.
  • Beispielhafte erfindungsgemäß gefüllte Dispersionen neigen vorzugsweise minimal zu einem thixotropen Verhalten. Thixotrope Dispersionen des durch Quarzstaub hergestellten Typs weisen eine Strukturviskosität auf, die die Steuerung und Qualität von auf optischen Fasern aufgebrachten Beschichtungen negativ beeinflussen.
  • In der vorliegenden Erfindung nützliche Nanopartikel umfassen kolloidale Partikel, die zur Oberflächenbehandlung mit Alkyltrialkoxysilanen, z. B. zum Bereitstellen einzelner oberflächenbehandelter Partikel oder kleiner Partikelagglomerate von gesteuerter Partikelgröße, geeignet sind. Die Zugabe dieser oberflächenbehandelten Partikel zu einem Harzsystem unter geeigneten Bedingungen bewirkt einen langsamen Anstieg der Viskosität, bis die Partikelkonzentration einen hohen Grad erreicht. Am Punkt einer kritischen Partikelbeladung sinkt die Auftrennung zwischen den Partikeln in einen Bereich, in welchem eine Wechselwirkung von Partikel zu Partikel auftritt. Die Partikelwechselwirkung variiert je nach bei der Oberflächebehandlung der kolloidalen Partikel verwendetem oberflächenaktivem Mittel mit der Auftrennung zwischen den Partikeln. Eine sorgfältige Auswahl eines oberflächenaktiven Mittels stellt die Herstellung einer dispergierten Phase, die im Wesentlichen separate Partikel oder kleine Partikelaggregate mit Affinität für das Dispersionsphasenmaterial enthält, sicher, bis die Partikel sich einander so eng annähern, dass eine Anziehung zwischen den Partikeln auftritt. An dem Punkt, an welchem Anziehung zwischen den Partikeln auftritt, können die Nanopartikel ein ähnliches Verhalten wie thixotrope Dispersionen, wie diejenigen, die vorstehend für Quarzstaub beschrieben wurden, aufweisen.
  • Erfindungsgemäße Nanocomposit-Beschichtungen stellen die Vorteile von Rissbeständigkeit, verbesserter Flexibilität und Abriebsbeständigkeit bereit, wenn sie mit ungefüllten, gehärteten Beschichtungen, insbesondere für optische Fasern, verglichen werden. In einem Organosilsesquioxanfluidharz verteilte kolloidale Nanopartikel stellten Beschichtungen her, die während des Härtens weniger schrumpfungsanfällig waren als ungefüllte Beschichtungszusammensetzungen. Je mehr die Beschichtung während des Härtens schrumpft, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie reißt. Die Einbringung von vorverdichteten Nanopartikeln in die Silsesquioxanbeschichtung stellt Beschichtungen mit reduzierter Schrumpfung bereit. Das Auftreten von Rissen in einer gehärteten optischen Faserbeschichtung führt zur Zurückweisung der beschichteten optischen Faser für die Durchschreib-Bildung einer faseroptischen Vorrichtung, wie ein Bragg-Gitter, in der optischen Faser. Beschichtungsrisse bringen mechanische Schwächung und optische Fehler in ein faseroptisches Gitter ein.
  • Zusätzliche Additive zum Erhöhen der Flexibilität für erfindungsgemäße Beschichtungen schließen Materialien ein, die in kleinen Mengen von etwa 5,0 Gew.% bis etwa 20,0 Gew.% oder mehr zu Beschichtungsformulierungen zugesetzt werden können. Materialien, die die Flexibilität erhöhen, senken typischerweise die Vernetzungsmenge zum Bereitstellen einer gehärteten Beschichtung mit erhöhter Dehnung. Additive, die die Flexibilität einer Beschichtung ändern, können zum Anpassen der Beschichtungsdehnung darauf, dass das Glas einer optischen Faser verbesserte Zugfestigkeit und Widerstand gegen Rissbildung erhält, verwendet werden.
  • Partikel, die unter die Definition von Nanopartikeln fallen, weisen eine mittlere Teilchengröße von weniger als 100 Nanometern auf. Materialien, die in Nanopartikel-Form umgewandelt werden können, schließen Metalle, Oxide, Nitride, Carbide und Chloride und dergleichen ein. In einer Polymermatrix dispergierte Nanopartikel bewahren im Wesentlichen ihre Größe und Gestalt als vorverdichtete Phase und reduzieren folglich die Schrumpfung während des Härtens. Obwohl es nicht erwünscht ist, an eine Theorie gebunden zu sein, scheint die Schrumpfung aufzutreten, da vorverdichtete Nanopartikel einiges von dem Volumen einer Beschichtungszusammensetzung einnehmen, wobei sie die Menge an zum Härten benötigtem Organosilsesquioxan reduzieren, wodurch die der Dispersionsphase zuzuschreibende Schrumpfung reduziert wird. Alternativ dazu stellt die Gegenwart eines dispergierten Teilchens ein „Energieabsorptionsmittel" als Abwehrmittel zum Verbreitern oder sogar der Bildung von Mikrorissen bereit. Aus diesem Grund weisen beschichtete Dispersionen Formstabilität und eine geringere Neigung zur Rissbildung als die gehärteten Beschichtungen auf. Die Gegenwart von Nanopartikeln erhöht auch die Haltbarkeit und Abriebsbeständigkeit von dünnen faseroptischen Beschichtungen, die eine Dicke aufweisen, die typischerweise weniger als etwa 5 μm beträgt. Nach dem Aufbringen und Härten auf eine in einem Zugturm gebildete optische Faser stellt die haltbare Nanocomposit-Beschichtung während der anschließenden Zugverfahren, die das Abwickeln, die Entfernung von äußeren Beschichtungen, die Wasserstoffbeladung, das Ändern des Brechungsindex der optischen Faser z. B. durch Schreiben von Brechungsindexgittern durch die Nanocomposit-Beschichtung und das Tempern der modifizierten optischen Faser zur Stabilisation einschließen, einen Schutz für die darunter liegende optische Glasfaser bereit.
  • Geeignete Matrixpolymere schließen Organosilsesquioxane, insbesondere Methylsilsesquioxanharze mit einem wie durch Gel-Permeations-Chromatografie bestimmten Molekulargewicht von etwa 2.300 bis etwa 15.000 ein.
  • Wie vorstehend angegeben, können Nanopartikel von Silizium- und Zirkoniumdioxidoxide enthaltenden Oxiden mit einem Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 in einer flüssigen polysiloxanhaltigen Matrix dispergiert werden, um erfindungsgemäße Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen bereitzustellen, die Partikel mit einer mittleren Partikelgröße unter etwa 100 Nanometern (0,1 μm), vorzugsweise von etwa 5 nm bis etwa 75 nm umfassen. Eine beispielhafte Beschichtung, die in Polymethylsilsesquioxan dispergierte Siliziumdioxid- oder Zirkoniumdioxidnanopartikel umfasst, wurde über der Umhüllung einer blanken optischen Glasfaser aufgebracht und thermisch gehärtet, als die Glasfaser aus einem Glasvorformling gezogen wurde. Das Härten kann wahlweise einen Katalysator wie ein Gemisch aus Ameisensäure und Tetramethylammoniumhydroxid oder anderen Alkylammoniumhydroxiden verwenden. Nach dem Härten wies die Beschichtung eine Dicke von ungefähr 3 μm, einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 1,7 auf und bewahrte Transparenz für ultraviolette Strahlung. Die erhaltene beschichtete optische Faser durchlief zum Aufbringen von einer oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen andere Abschnitte des Zugturms, um eine vollständig beschichtete optische Faser zum Sammeln auf einer Aufwickelstation für die optische Faser bereitzustellen.
  • Bragg-Gitter, z. B. Dispersionkompensationsgitter wurden nach Entfernung der zusätzlichen Beschichtungen in eine beschichtete optische Faser des vorstehend beschriebenen Typs geschrieben. Dies stellt eine optische Faser bereit, die mit einer für sichtbare und ultraviolette Strahlung transparenten Nanocomposit-Beschichtung beschichtet ist. Im Falle von Zirkoniumdioxid enthaltenden gehärteten Nanocomposit-Beschichtungen wird die kristalline Form von Zirkoniumdioxid bevorzugt, da dies augenscheinlich die Bildung von gehärteten Beschichtungen mit erwünschten höheren Brechungsindexwerten als ähnliche unter Verwendung von amorphen Zirkoniumdioxidnanopartikel formulierte Beschichtungen nahe legt.
  • Gehärtete Nanocomposit-Beschichtungen schützen beschichtete optische Fasern vor Beschädigung und schirmen die optische Faser vor Verlusten von physikalischen Festigkeitseigenschaften während weiterer Verarbeitung ab. Eigenschaften von Nanocomposit-Beschichtungen schließen thermische Stabilität bei 200°C ein, sodass die optische Faserbeschichtung eine Verarbeitung bei erhöhter Temperatur der Wasserstoffbeladung und thermischen Stabilisierung übersteht. Eine Wasserstoffbeladung der Nanocompositbeschichteten optischen Faser erhöht ihre Empfindlichkeit für ultraviolette Strahlung, welche die Bildungsgeschwindigkeit z. B. eines Dispersionskompensationsgitters erhöht. Bei der thermischen Stabilisierung handelt es sich um ein Temperverfahren, das eine Entspannung der Struktur des faseroptischen Gitters herbeiführt, um eine Vorrichtung mit stabiler optischer Leistung bereitzustellen. In einigen Fällen bleibt die mechanische Festigkeit von Nanocompositbeschichteten Fasern nach der Brechungsindexmodifikation ohne sichtbaren Abbau (Bräunung, Schmelzung oder Ablösung) der Beschichtung nach dem Tempern bei Temperaturen bis zu 300°C hoch. Augenscheinlich zeigt es sich, dass gehärtete Zirkoniumdioxiddioxidnanocomposite bei 300°C getempert werden können, während siliziumdioxidhaltige Beschichtungen durchwegs nach dem Tempern bei 200°C zuverlässig sind.
  • VERSUCHSTEIL
  • Rohmaterialien
  • NP1
    = Siliziumdioxid – NALCO 2327, erhältlich von Ondeo Nalco Company, Redford Park, IL als Dispersion von Nanopartikeln mit 20 nm, ungefähr 41 Gew.% in Wasser.
    NP2
    = Siliziumdioxid – NALCO 2326, erhältlich von Ondeo Nalco Company, Redford Park, IL als Dispersion von Nanopartikeln mit 5 nm, ungefähr 16,5 Gew.% in Wasser.
    NP3
    = Zirkoniumdioxid – OOSS008, erhältlich von Ondeo Nalco Company, Redford Bark, IL als ein mit Azetat stabilisiertes Sol, enthaltend 23 Gew.% Zirkoniumdioxidnanopartikel in Wasser.
    NP4
    = Zirkoniumdioxidnanopartikel gemäß U.S. 6,376,590 , erhältlich von 3M Company, St. Paul, MN, mit einem Größenbereich von etwa 13 nm bis etwa 23 nm. Eine Silanoberflächenbehandlung wurde unter Verwendung von 2[-2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]essigsäure auf diese Partikel aufgebracht.
    NP5
    = Siliziumdioxid/Zirkoniumdioxid, gemischtes Oxidnanopartikelsol – OPTOLAKE Nr. 4, erhältlich von Catalysts & Chemicals Ind. Co., Ltd., Kawasaki City, Kanagawa, Japan.
    OS1
    = GR – 650F, erhältlich von Techneglas Inc., Perrysburg, OH, als ein Polymethylsilsesquioxanharz mit einem Molekulargewicht von 8.050.
    OS2
    = GR – 650SD, erhältlich von Techneglas Inc., Perrysburg, OH, als ein Polymethylsilsesquioxanharz mit einem Molekulargewicht von 2.390.
    OS3
    = GR – 653L, erhältlich von Techneglas Inc., Perrysburg, OH als ein Polymethylsilsesquioxanharz mit einer Konzentration von 30 Gew.% in Butylalkohol und einem Molekulargewicht von 13.900.
    OS4
    = GR – 654L, erhältlich von Techneglas Inc., Perrysburg, OH, als eine 30 Gew.%ige Lösung in Butylalkohol eines Polymethylsilsesquioxanharzes mit einem Molekulargewicht von 13.900.
    Katalysator
    = ein Gemisch aus Ameisensäure und Tetramethylammoniumhydroxid als ein Katalysator.
    S1
    = DOWANOL-PM (1-Methoxy, 2-Propylalkohol) erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    S2
    = Butylalkohol, erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    SM1
    = 2[-2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]essigsäure, erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    SM2
    = Hexansäure, erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    SM3
    = Methyltriethoxysilan, erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    SM4
    = Isooctyltrimethoxysilan, erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    SM5
    = Phenyltrimethoxysilan, erhältlich von. Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
    SM6
    = Silquest A1230, ein Polyethylenglycoltrialkoxysilan, erhältlich von OSi Specialties, A Crompton Business, Greenwich, CT.
    D1
    = Diethoxydimethylsilan, erhältlich von Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI.
  • Organosilsesquioxanmischungen:
    • OB1 = GR 650F (50 Gew.%) + GR 650SD (50 Gew.%)
    • OB2 = GR 650SD (60 Gew.%) + GR 653L (40 Gew.%)
  • Verfahren der Solherstellung: (Oberflächen-Modifikation von Nanopartikeln)
  • Verfahren 1 (Siliziumdioxidsole)
  • SS1 – Eine Dispersion in Wasser aus Siliziumdioxidnanopartikeln (250 g NP1) wurde einem mit einem Rührstab ausgestatteten Reaktionsgefäß mit einem Volumen von 1 Liter zugesetzt. Eine Lösung von 8,48 g SM3 und 3,72 g SM4 in 400 g S1 wurde der rührenden Nanopartikeldispersion über eine Dauer von 30 Minuten zugetropft. Nach der Zugabe wurde die Dispersion für eine zusätzliche Dauer von 15 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Das Gefäß wurde versiegelt und für eine Dauer von 20 Stunden auf 90°C erwärmt. Wasser wurde unter Vakuum aus der Dispersion entfernt, um eine bläuliche Dispersion von Siliziumdioxidnanopartikeln in S1 zu erhalten. Die Dispersion wurde durch einen groben Filter filtriert und der Feststoffgehalt des Filtrats durch Zugabe von S1 auf 30 Gew.% Nanopartikel eingestellt.
  • SS2 – Eine Dispersion in Wasser aus Siliziumdioxidnanopartikeln (250 g NP1) wurde einem mit einem Rührstab ausgestatteten Reaktionsgefäß mit einem Volumen von 1 Liter zugesetzt. Eine Lösung von 5,67 g SM3 und 7,46 g SM4 in 400 g S1 wurde der rührenden Nanopartikeldispersion über eine Dauer von 30 Minuten zugetropft. Nach der Zugabe wurde die Dispersion für eine zusätzliche Dauer von 15 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Das Gefäß wurde versiegelt und für eine Dauer von 20 Stunden auf 90°C erwärmt. Wasser wurde unter Vakuum aus der Dispersion entfernt, um eine bläuliche Dispersion von Siliziumdioxidnanopartikeln in S1 zu erhalten. Die Dispersion wurde durch einen groben Filter filtriert und der Feststoffgehalt des Filtrats durch Zugabe von S1 auf 30 Gew.% Nanopartikel eingestellt.
  • SS3 – Eine Dispersion in Wasser aus Siliziumdioxidnanopartikeln (250 g NP2) wurde einem mit einem Rührstab ausgestatteten Reaktionsgefäß mit einem Volumen von 1 Liter zugesetzt. Eine Lösung von 8,51 g SM3 und 3,73 g SM4 in 400 g S1 wurde der rührenden Nanopartikeldispersion über eine Dauer von 30 Minuten zugetropft. Nach der Zugabe wurde die Dispersion für eine zusätzliche Dauer von 15 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Das Gefäß wurde versiegelt und für eine Dauer von 20 Stunden auf 90°C erwärmt. Wasser wurde unter Vakuum aus der Dispersion entfernt, um eine bläuliche Dispersion von Siliziumdioxidnanopartikeln in S1 zu erhalten. Die Dispersion wurde durch einen groben Filter filtriert und der Feststoffgehalt des Filtrats auf 11,05 Gew.% bestimmt.
  • SS4 – Eine Dispersion in Wasser aus Siliziumdioxidnanopartikeln (250 g NP1) wurde einem mit einem Rührstab ausgestatteten Reaktionsgefäß mit einem Volumen von 1 Liter zugesetzt. Eine Lösung von 12,67 g SM5 in 400 g S1 wurde der rührenden Nanopartikeldispersion über eine Dauer von 30 Minuten zugetropft. Nach der Zugabe wurde die Dispersion für eine zusätzliche Dauer von 15 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Das Gefäß wurde versiegelt und für eine Dauer von 20 Stunden auf 90°C erwärmt. Wasser wurde unter Vakuum aus der Dispersion entfernt, um eine bläuliche Dispersion von Siliziumdioxidnanopartikeln in S1 zu erhalten. Die Dispersion wurde durch einen groben Filter filtriert und der Feststoffgehalt des Filtrats durch Zugabe von S1 auf 30 Gew.% Nanopartikel eingestellt.
  • Verfahren 2
  • ZS1 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxidnanopartikeln (1,12 g NP3) wurde einem Fläschchen mit einem Volumen von 20 ml zugesetzt. Oberflächen-Modifikationsmittel (46 mg SM1) wurde zugesetzt, um ein weißes durchscheinendes Sol zu erhalten.
  • Verfahren 3
  • ZS2 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxidnanopartikeln (21,16 g NP3) und ein Oberflächen-Modifikationsmittel (21,16 g SM1) wurden einem Glasgefäß mit einem Volumen von 16 Unzen zugesetzt. Ein Lösungsmittel (200 g S2) wurde dem Gemisch zugesetzt. Nach der Zugabe wurde die Lösung unter Verwendung eines Rotationsverdampfers fast bis zur Trockenheit abgedampft. Der Feststoff wurde in 140 g S2 erneut dispergiert und erneut unter Verwendung des Rotationsverdampfers fast bis zur Trockenheit abgedampft. Dies stellte ein Material bereit, das dann in 116,8 g S2-Lösungsmittel dispergiert wurde, um ein Sol von 25 Gew.% Zirkoniumdioxid (36,5 Gew.% Feststoffe) zu erhalten.
  • Verfahren 4
  • ZS3 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxidnanopartikeln (50 g NP3) und ein Lösungsmittel (50 g S2) wurden einem Gefäß mit einem Volumen von 8 Unzen zugesetzt. Ein Gemisch aus Oberflächen-Modifikationsmitteln (4,1 g SM1 und 2,67 g SM2) wurde der Nanopartikeldispersion zugesetzt, gefolgt vom Trocknen bei 125°C in einem belüfteten Ofen. Ein Sol wurde durch Dispergieren der erhaltenen 6,14 g an trockenem Pulver in 14,32 g SM2-Lösungsmittel erhalten. Eine Zentrifuge (Model IEC HT, erhältlich von International Equipment Company, Needham Heights, MA), betrieben bei 12.000 UpM für eine Dauer von 15 Minuten, wurde zum Entfernen großer Partikel aus dem erhaltenen Sol verwendet. Zentrifugierte Sole stellen typischerweise Durchschreib-Beschichtungen mit verbesserter Transparenz für ultraviolette Strahlung bereit. Der Zweck der Zentri fugation ist es, eine kleine Anzahl an Partikeln mit größerem Durchmesser zu entfernen, die Laserstrahlabschwächung entweder durch Absorbieren oder Streuung der zum Modifizieren der Brechungsindexeigenschaften einer optischen Faser verwendeten ultravioletten Strahlung verursachen.
  • ZS4 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxidnanopartikeln (50 g NP3), ein Lösungsmittel (50 g 52) und ein Oberflächen-Modifikationsmittel (5,12 g SM1) wurden einem Gefäß mit einem Volumen von 8 Unzen zugesetzt, gefolgt vom Trocknen bei 125°C in einem belüfteten Ofen. Ein Sol wurde durch Dispergieren der erhaltenen 4,22 g an trockenem Pulver in 9,85 g SM2-Lösungsmittel erhalten. Die erhaltene Dispersion wurde wie vorstehend für ZS3 beschrieben zentrifugiert.
  • Verfahren 5
  • ZS5 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxidnanopartikeln (200 g NP4) wurde einem Gefäß mit einem Volumen von 500 ml zugesetzt. Die Dispersion wurde unter Verwendung eines Rotationsverdampfers auf 51 g konzentriert. Lösungsmittel (67 g S2) wurde der Dispersion zugesetzt, gefolgt vom Verdampfen zum Bereitstellen von 43 g Dispersion. Zusätzliches Lösungsmittel (40 g S2) wurde der Dispersion zugesetzt, gefolgt vom Verdampfen zum Reduzieren der Dispersion auf 15 g, die 28 Gew.% Zirkoniumdioxid enthielt.
  • Verfahren 6
  • ZS6 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxid nanopartikeln (63 g NP3) und ein Oberflächen-Modifikationsmittel (2,59 g SM1) wurden einem Gefäß mit einem Volumen von 250 ml zugesetzt. Nach dem Mischen zum Bereitstellen einer homogenen Dispersion wurde dem Gemisch Lösungsmittel (66 g S1) zugesetzt und die Lösung unter Verwendung eines Rotationsverdampfers zum Entfernen von Wasser eingedampft. Eine weitere Menge an Lösungsmittel (66 g S1) wurde zugesetzt, gefolgt von Verdampfen unter Verwendung des Rotationsverdampfers, um 49 g Dispersion herzustellen. Das endgültige Sol wurde durch Zugabe einer weiteren Menge an Lösungsmitteln (65 g S1) zum Bereitstellen von 57,35 g Sol erhalten.
  • Verfahren 7
  • ZS7 – Eine Dispersion in Wasser aus Zirkoniumdioxdnanopartikeln (250 g NP3) und ein Oberflächen-Modifikationsmittel (10,58 g SM1) wurden einem Gefäß mit einem Volumen von 1000 ml zugesetzt. Nach dem Mischen zum Bereitstellen einer homogenen Dispersion wurde Lösungsmittel (250 g S2) zugesetzt und das Gemisch unter Verwendung eines Rotationsverdampfers eingedampft, um 533,58 g Dispersion herzustellen. Eine weitere Menge an Lösungsmittel (250 g S2) wurde zugesetzt, gefolgt vom Verdampfen unter Verwendung des Rotationsverdampfers, um 502,58 g Dispersion herzustellen. Mehr Lösungsmittel (251 g S2) wurde zugesetzt, gefolgt vom Verdampfen unter Verwendung des Rotationsverdampfers, um 247,38 g Dispersion herzustellen. Eine Zentrifuge (Model IEC HT, erhältlich von International Equipment Company, Needham Heights, MA), betrieben bei 12.000 UpM für eine Dauer von 15 Minuten, wurde zum Entfernen von großen Partikeln aus dem erhaltenen Sol verwendet. Zentrifugierte Sole stellen typischerweise Durchschreib-Beschichtungen mit verbesserter Transparenz für ultraviolette Strahlung bereit. Der Zweck der Zentrifugation ist es, eine kleine Anzahl an Partikeln mit größerem Durchmesser zu entfernen, die eine Laserstrahlabschwächung entweder durch Absorption oder Streuung der beim Modifizieren der Brechungsindexeigenschaften einer optischen Faser verwendeten ultravioletten Strahlung verursachen.
  • Verfahren 8
  • ZS8 – Eine Dispersion aus Zirkoniumdioxid beschichteten Siliziumdioxidnanopartikeln (20 g NP5), Oberflächen-Modifikationsmittel (1,09 g SM6) und ein Tropfen 48%iger Flusssäure wurden einem Glasbehälter mit einem Volumen von acht Unzen zugesetzt. Das Gemisch wurde für eine Dauer von 16 Stunden auf 90°C erwärmt. Nach dem Mischen zum Bereitstellen einer homogenen Dispersion, wurde Lösungsmittel (33 g S1) zugesetzt und das Gemisch wurde unter Verwendung eines Rotationsverdampfers zum Entfernen von 50 g Flüssigkeit, bei dem es sich vorwiegend um Wasser handelte, eingedampft. Zusätzliches Lösungsmittel (22 g S1) wurde zugesetzt, gefolgt vom Verdampfen unter Verwendung des Rotationsverdampfers, um ein Sol herzustellen, enthaltend 14,2 Gew.% Metalloxid (17,9 Gew.% Feststoffe). Eine Menge von 15 g dieses Sols wurde an einem Rotationsverdampfer auf 11,1 g reduziert.
  • Beschichtungsformulierungen, umfassend in Organosilsesquioxan dispergierte oberflächenbehandelte Nanopartikel, wurden durch langsames Mischen eines ausgewählten Sols mit einem Polymethylsilsesquioxanfluid oder Mischungen von Fluids in einem Fläschchen hergestellt. Sowohl das Sol als auch das Polymethylsilsesquioxanfluid können Lösungsmittel enthalten, die abgedampft werden sollten, da die Nanocomposit-Beschichtung auf Glastestoberflächen oder optischen Fasern härtet. Vorzugsweise schließen erfindungsgemäße Beschichtungsformulierungen keine Dispersionen ein, die thixotropes Verhalten anzeigen. Die gemischte Formulierung wurde durch Rotationsverdampfung auf einen erhöhten als Gew.% ausgedrückten Feststoffgehalt konzentriert, um eine viskose Fluid-Beschichtungszusammensetzung bereitzustellen. Die weitere Verarbeitung der Fluid-Bbeschichtungszusammensetzung schloss die Filtration unter Verwendung eines Spritzenfilters bei 1 μm mit 25 mm ein.
  • Formulierungen, die ein Silsesquioxanharz mit niedrigem Molekulargewicht enthalten, z. B. GR 650SD, härteten langsamer als Silsesquioxane mit hohem Molekulargewicht. Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen, die mit Isooctyltrimethoxysilan behandelte Nanopartikel enthalten, weisen in Gegenwart von höheren Konzentrationen des Oberflächen-Modifikationsmittels und minimalen Mengen an Lösungsmittel thixotropes Verhalten auf.
  • Beschichtungsformulierungen wurden auf Glas- oder Quarzobjektträger rotationsbeschichtet und in einem Ofen für eine Dauer von ungefähr 20 Minuten bei 130°C gebacken. Ein Rotationsbeschichter (CB15 von Headway Research Inc., Garland, TX) wurde mit einer Steuerung, Modell PWM 32, zum Aufbringen eines Films auf quadratische Quarzobjektträger mit zwei Zoll verwendet. Die Rotationsgeschwindigkeit und -dauer wurden zum Bereitstellen einer gehärteten Beschichtung mit einer Dicke von etwa 15 μm ausgewählt. Nach dem Backen wurden die Beschichtungsproben auf jegliche Anzeichen von Klebrigkeit untersucht, die auf eine unvollständige Härtung hinweisen würde. Die Proben wurden für eine Dauer von zusätzlichen zwanzig Stunden erwärmt, um flüchtige Produkte zu entfernen. Bevorzugte gehärtete Beschichtungen wiesen typischerweise gute Haftung auf den Quarztestoberflächen auf und überstanden zwanzig Stunden bei 130°C ohne Rissbildung oder Entlaminierung. Proben, die visuell klar oder nur leicht trüb waren, wurden für weitere Studien identifiziert.
  • Objektträger mit gehärteten Nanocomposit-Beschichtungen wurden getestet, um ihre Stabilität und Transparenz für Strahlung von einem Ultraviolettlaser zu bestimmen. Der für diese Studien verwendete Laser war ein Argonionenlaser mit kontinuierlicher doppelter Wellenfrequenz (Coherent Sabre® FreDTM Laser), betrieben bei 244 nm. Proben wurden bei verschiedenen Intensitätsgraden je nach Verhältnis von Einfallleistung zu Laserpunktgröße untersucht. Die maximale Laserintensität Imax (W/cm2) wird berechnet als: Imax = 2Pi/(πw1w2)wobei Pi die Einfallleistung ist und w1 und w2 der l/e2-Strahlradius des Intensitätsprofils nach Gauß sind. Die übertragene Leistung wurde durch eine Leistungssonde vom Tpy Molectron PM 10 und ein Messgerät vom Typ EPM 1500, angeschlossen über eine GPIB-Schnittstelle an einem Computer zur Datensammlung, gemessen. Der Übertragungsprozentsatz (%T) wurde als PT/Pi berechnet, wobei PT die übertragene Leistung ist.
  • Die zum Herstellen einer Änderung im Brechungsindex erforderliche gesamte ultraviolette Strahlungsdosis variiert breit mit dem Typ der faseroptischen Vorrichtung, bestimmt durch die erforderliche Änderung im Brechungsindex, dem Lasertyp, dem Fasertyp und einem beliebigen zum Erhöhen der Faserantwort verwendeten Lichtsensibilisierungsverfahren. Strahlungsdosen liegen im Bereich von mehreren hundert Joules/cm2 für gering reflektierende Gitter oder schnelle Abtasttechniken bis > 10 kJ/cm2 für in Fasern mit beschränkter Lichtempfindlichkeit hergestellte hoch reflektierende Gitter. Während viele gering reflektierende Gitter mit einer Belichtung von niedriger Intensität geschrieben werden, sind Abtasttechniken typischerweise mit höherer ultravioletter Strahlungsintensität gestaltet. Insbesondere bezieht das Verfahren zum Schreiben von Dispersionskompensationsgittern die kurze Belichtung der Faser mit sehr hoher intensiver ultravioletter Strahlung ein. Eine Brechungsindexänderung entweder im Kern oder der Umhüllung einer optischen Faser erfordert Durchschreib-Materialien, die die Transparenz für ultraviolette Strahlung für geeignete Zeitdauern und Laserstrahlintensitäten bewahren.
  • Eine faseroptische Beschichtung, die als Durchschreib- Beschichtung geeignet ist, erfüllt eine Testanforderung auf der Basis von einem Verlust des Strahlungsübertragungsvermögens im Zeitverlauf. Die Beschichtungs-„Ablaufzeit” ist die Länge der Zeit, bevor die Übertragung von ultravioletter Strahlung auf 80% des Maximalwerts abfällt. Die „Einfalldosis" wird durch Multiplizieren der Ablaufzeit mit der Einfallintensität berechnet. Zudem wird die „Ablaufdosis" durch Multiplizieren der Einfalldosis durch den maximalen%T berechnet. Die Ablaufdosis sagt das Vermögen zum Induzieren von Brechungsindexänderungen in der optischen Faser vorher, da sie am genauesten der Menge an Laserenergie, die durch die Beschichtung der optischen Faser zugeführt werden kann, entspricht. In einigen Fällen fiel die Probenübertragung nicht unter den Bestandengrad für den Umfang der Tests (300 Sekunden) ab.
  • Beispiele für erfindungsgemäße Nanocomposit-Beschichtungen verwenden Partikel mit Alkyltrialkoxysilanbehandelter Oberfläche. Proben, die auf Glas- oder Quarzobjektträger aufgetragen wurden, enthielten typischerweise Konzentrationen an Nanopartikeln in einer Fluiddispersion (siehe Tabelle 1–5), die die Anforderungen für Viskosität und Härtegeschwindigkeit erfüllten, um optische Glasfasern während des gesamten Zieh- und Brechungsindexänderungsverfahrens geeignet zu schützen, wie durch Faserzugfestigkeit im Versagenstest bestimmt. Bevorzugte Beschichtungsdispersionen stellen transparente Beschichtungen mit hohen Werten der „Ablaufdosis" bereit. Vergleichsbeispiele, enthaltend mit Phenylsilan behandelte kolloidale Siliziumdioxidpartikel, wiesen niedrige Werte der „Ablaufdosis" auf. Zudem waren nicht oberflächenbehandelte Nanopartikel oder Quarzstaubpartikel entweder nicht homogen, nicht empfänglich für Objektträgerpräparation oder wiesen eine sehr niedrige Übertragung auf.
  • Die Tabellen 1–4 geben auf Objektträger aufgetragene Beschichtungsformulierungen und Objektträgertests für eine Vielfalt an erfindungsgemäßen oberflächenbehandelte Siliziumdioxid- oder Zirkoniumdioxidnanopartikel in Polymethylsilsesquioxan enthaltenden Nanocomposit-Beschichtungsdispersionen an. Tabelle 5 stellt Vergleichsinformationen für Zirkoniumdioxid enthaltende Nanocomposit-Beschichtungen (C1–C3) und diejenigen, die Siliziumdioxid enthalten, (C4 und C5) bereit. Siliziumdioxidenthaltende Beschichtungen scheinen durchwegs höhere Werte für Ablaufzeit und Ablaufdosis zurückzusenden.
  • Die Formulierungen in Tabelle 1–5 schließen Konzentrationen an Materialien ein, die Organosilsesquioxane und Oxidnanopartikel, ausgedrückt in Bezug auf Feststoffprozentgehalte (% Feststoffe) enthalten. Der Begriff „Feststoffprozentgehalt" bedeutet das Gewicht des Materials, das nach dem Entfernen von Lösungsmittel und Härten einer erfindungsgemäßen Formulierung als Prozentgehalt des Gesamtgewichts der Dispersion, die auf ein Substrat, z. B. eine optische Faser aufgetragen wurde, verbleibt.
  • Mit Bezug auf die Beispiele E5 und E7 mit gleichen Formulierungen bezeichnet die mögliche Varierbarkeit von beschichteten Proben, die der Probenherstellung oder Unterschieden beim Testen, verbunden mit Belichten von beschichteten Objektträgern mit einem Laserstrahl von hoher Intensität, zuzuordnen ist. Tabelle 1 – Siliziumdioxidnanocomposit-Beschichtungsdispersionen Beispiele E1–E4
    E1 E2 E3 E4
    Gew.% Nanopartikel 20 20 30 20
    Sol SS1 SS1 SS1 SS1
    mmol/g Nanopartikel SM3-0,465 SM4-0,155 SM3-0,465 SM4-0,155 SM3-0,465 SM4-0,155 SM3-0,465 SM4-0,155
    Organosilses OB1 OB1 OB2 OB2
    quioxan
    Lösungsmittel S2 S2 S2 S2
    Feststoffprozentgehalt 78% 78% 72% 83%
    Katalysator Nein Nein Nein Nein
    Haftung an Glas Ja Ja Ja Ja
    Rissbildung Wenig Keine Wenig Wenig
    Trübung Nein Nein Nein Nein
    Ablaufzeit/500W/cm2 98 Sek. 87 Sek. 74 Sek. 66 Sek.
    Ablaufzeit/250W/cm2 281 Sek. 230 Sek. 191 Sek. 258 Sek.
    Ablaufdosis/500W/cm2 40 kJ/cm2 35 kJ/cm2 32 kJ/cm2 27 kJ/cm2
    Ablaufdosis/250W/cm2 57 kJ/cm2 48 kJ/cm2 41 kJ/cm2 54 kJ/cm2
    Tabelle 2 – Siliziumdioxidnanopcomposit-Beschichtungs dispersionen Beispiele E5–E8
    Aufbringung Nr. E5 E6 E7 E8
    Sol SS2 SS2 SS2 SS3
    Gew.% Nanopartikel 30 30 30 20
    mmol/g Nanopartikel SM3 0,31 SM4 0,31 SM3 0,31 SM4 0,31 SM3 0,31 SM4 0,31 SM3 1,50 SM4 0,50
    Organosilsesquioxan GR 654L OB2 GR 654L GR 654L
    Lösungsmittel S2 S2 S2 S2
    Feststoffprozentgehalt 48% 64% 48% 43%
    Katalysator Nein Nein Nein Nein
    Haftung an Glas Ja Ja Ja Ja
    Rissbildung Keine Keine Keine Keine
    Trübung Nein Nein Nein Nein
    Ablaufzeit/500W/cm2 > 300 Sek. 95 Sek. 156 Sek. 109 Sek.
    Ablaufzeit/250W/cm2 > 300 Sek. 240 Sek. > 300 Sek. > 300 Sek.
    Ablaufdosis/500W/cm2 > 129 kJ/cm2 40 kJ/cm2 68 kJ/cm2 47 kJ/cm2
    Ablaufdosis/250W/cm2 > 65 kJ/cm2 52 kJ/cm2 > 64 kJ/cm2 > 64 kJ/cm2
    Tabelle 3 – Zirkoniumdioxidnanocomposit-Beschichtungsdispersionen Beispiele E9–E12
    Aufbringung Nr. E9 E10 E11 E12
    Sol ZS2 ZS2 ZS2 ZS2
    Gew.% Nanopartikel 48,6 43,8 38,5 14
    mmol/g Nanopartikel SM1-2,5 SM1-2,5 SM1-2,5 SM1-2,5
    Organosilsesquioxan GR 654L GR 654L GR 654L GR 654L
    Lösungsmittel S2 S2 S2 S2
    Feststoffprozentgehalt 64% 60% 60% 75%
    Katalysator Nein Nein Nein Nein
    Haftung an Glas Ja Ja Ja Ja
    Frei von Rissbildung Ja Ja Ja Ja
    Trübung Nein Nein Nein Nein
    Ablaufzeit/500W/cm2 4 Sek. 3 Sek. 6 Sek. 38 Sek.
    Ablaufzeit/250W/cm2 22 Sek. 18 Sek. 57 Sek. > 300 Sek.
    Ablaufdosis/500W/cm2 0,8 kJ/cm2 0,5 kJ/cm2 1,0 kJ/cm2 12,2 kJ/cm2
    Ablaufdosis/250W/cm2 2,9 kJ/cm2 2,2 kJ/cm2 5,3 kJ/cm2 > 48 kJ/cm2
    Tabelle 4 – Zirkoniumdioxidnanocomposit-Beschichtungsdispersionen Beispiele E13–E17
    Aufbringung Nr. E13 E14 E15 E16 E17
    Sol ZS3 ZS5 ZS4 ZS3 ZS8
    Gew.% Nanopartikel 30 30 30 32,4 30
    mmol/g Nanopartikel SM1-2,0 SM2-2,0 SM1-4,0 SM1-2,5 SM1-2,0 SM2-2,0 SM6-1,0
    Organosilsesquioxan GR 654L GR 654L GR 654L GR 654L GR 653L
    Lösungsmittel S2 S2 S2 S2 S1/S2
    Feststoffprozentgehalt 73% 60% 65% 62% 56%
    Katalysator Ja Nein Ja Ja Ja
    Haftung an Glas Ja Ja Ja Ja Ja
    Frei von Rissbildung Ja Ja Ja Ja Nein
    Trübung Nein Nein Nein Nein Nein
    Ablaufzeit/500W/cm2 14 Sek. 7 Sek. 26 Sek. 20 Sek. 22 Sek.
    Ablaufzeit/250W/cm2 > 300 Sek. > 300 Sek. > 300 Sek. > 300 Sek. > 300 Sek.
    Ablaufdosis/500W/cm2 3,7 kJ/cm2 1,9 kJ/cm2 8,1 kJ/cm2 4,9 kJ/cm2 8,0 kJ/cm2
    Ablaufdosis/250W/cm2 > 41 kJ/cm2 > 46 kJ/cm2 > 45 kJ/cm2 > 41 kJ/cm2 > 60 kJ/cm2
    Tabelle 5 – Vergleichsbeispiele C1-C5
    Aufbringung Nr. C1 C2 C2 C3 C5
    Sol ZS1 ZS6 ZS7 ZS4 ZS4
    Gew.% Nanopartikel 30,4 28,7 32,1 20 30
    mmol/g Nanopartikel SM1-1,0 SM1-1,0 SM1-1,0 SM5-0,6 SM5-0,6
    Organosilsesquioxan GR 653L GR 653L GR 653L GR 654L GR 654L
    Additive - D1 – 5 Gew.% - - -
    Lösungsmittel S2/ Wasser S1/S2 S2 S1 S1
    Feststoffprozentgehalt 60% 60% 61% 47% 45%
    Katalysator Ja Ja Ja Nein Nein
    Haftung an Glas Ja Ja Ja Ja Ja
    Frei von Rissbildung Ja Ja Ja Ja Ja
    Trübung Ja Leicht Leicht Nein Nein
    Ablaufzeit/500W/cm2 6 Sek. 3 Sek. 3 Sek. 9 Sek. 5 Sek.
    Ablaufzeit/250W/cm2 9 Sek. 6 Sek. 18 Sek. 57 Sek. 8 Sek.
  • Die Aufbringung von erfindungsgemäßen Nanocomposit-Beschichtungen auf optische Fasern wurde unter Verwendung eines Zugverfahrens für optische Fasern dargelegt, in welchem ein optischer Vorformling zum Erwärmen in einen Induktionsofen gegeben und in eine optische Faser aus Germaniumsilikat mit hoher Blendenzahl gezogen wurde. Eine neu gebildete optische Faser mit einem Durchmesser von 125 μm lief zum Aufbringen einer Nanocomposit-Beschichtungsformulierung zu einer Beschichtungsstation. Die Beschichtungsstation schloss eine Beschichtungsdüsenanordnung, ein Härtesystem, einen Konzentrizitätsmonitor und ein Lasertelemetriesystem ein. Beschichtungszusammensetzungen, umfassend eine Dispersion von Nanopartikeln, gefüllt mit Polymethylsilsesquioxan und Lösungsmittel, wurden aus einem unter Druck stehenden Behälter einer Beschichtungsdüsenanordnung zugeführt und aufgetragen, gehärtet und innerhalb der Beschichtungsstation gemessen, um eine Beschichtungsdicke im Bereich von etwa 2 μm bis etwa 10 μm auf der Glasfaser mit einem Durchmesser von 125 μm beizubehalten. Eine Beschränkte Verwendung von Lösungsmittel ist erwünscht, sodass im Zugverfahren verwendete thermische Energie eher zum Härten der Beschichtung verbraucht wird, als zum Abdampfen des Lösungsmittels.
  • Die Verfahren zum Ziehen und Beschichten der Faser wurden bei einer Geschwindigkeit zwischen etwa 20 Meter pro Minute (mpM) und etwa 60 mpM unter Verwendung von zwei auf erhöhte Temperatur eingestellte thermischen Zonen, jede mit einer Länge von zwanzig Zoll, durchgeführt.
  • Eine oder mehrere durch ultraviolette Strahlung härtbare Beschichtungen, wie im Handel von DSM Desotech (Elgin, IL) erhältliches DESOLITE 3471-2-136, wurde/n als zweite oder äußere Beschichtung über der gehärteten Nanocomposit-Beschichtung während des Faserziehens aufgetragen und durch Belichtung mit einem Ultraviolettsystem von Fusion Systems, ausgestattet mit einer „D"-Birne, gehärtet. Ein vollständig beschichtetes faseroptisches Element wurde durch eine Steuerwinde und zur Lagerung auf eine Aufnahmespule gezogen.
  • Tabelle 6 stellt Ergebnisse für das erfindungsgemäße Beispiel E16 und Beispiel E3 bereit. Jede Zusammensetzung wurde mit einer Dicke von ungefähr 3 μm aufgebracht, gefolgt von der Aufbringung einer einzigen äußeren Beschichtung von DESOLITE 3471-2-136. Ein lichtempfindlicher Vorformling wurde für die bei der Herstellung mit Beispiel E16 beschichtete optische Faser zur anschließenden Verarbeitung zum Modifizieren der Brechungsindexeigenschaften der optischen Faser verwendet. Tabelle 6 – Beschichtete optische Fasern
    Dicke Temperatur Temperatur Beschichtungsgeschwindigkeit Pufferdicke
    Z-Beschichtung/μm Zone 1°C Zone 2°C Meter/min.ute μm
    E16/2,7 500 500 20 60
    Si-Beschichtung/μm Zone 1°C Zone 2°C Meter/min.ute μm
    E3/2,6 700 800 30 59
    E3/2,7 700 800 60 52,5
  • Die Vorbereitung zur Modifikation der Brechungsindexeigenschaften einer vorstehend beschriebenen beschichteten optischen Faser erforderte die Entfernung von strahlungsabschwächenden Acrylatbeschichtungen. Da eine erfindungsgemäße Nanocomposit-Beschichtung im Wesentlichen durch gewöhnliche Lösungsmittel nicht beeinflusst wird, wurde die Entfernung einer äußeren Acrylatbeschichtung durch das einfache und bequeme Verfahren des Tauchens einer Länge der Faser in Aceton für eine Dauer von 20 bis 30 Minuten zum Aufquellen der Acrylatschicht erzielt. Die aufgequollene Schicht wurde dann vorsichtig durch Abziehen der Acrylatschicht von Hand von der Nanocompositschicht entfernt. Als letzter Reinigungsschritt kann die gehärtete Nanocomposit-Beschichtung unter Verwendung eines in Isopropylalkohol getauchten Lappens abgewischt werden, um das Acrylatmaterial vollständig zu entfernen. Eine mikroskopische Auswertung der optischen Faser zeigte keine Anzeichen von Rissbildung der Nanocompositschicht. Auch blieb die Festigkeit der mit Nanocomposit beschichteten Faser hoch.
  • Bragg-Gitter wurden in Proben von mit Nanocomposit beschichteten optischen Fasern geschrieben und mit in blanke Glasfasern geschriebenen Gittern verglichen. Das zur Brechungsindexmodifikation verwendete Verfahren schloss die Belichtung mit ultravioletter Strahlung bei 244 nm ein. Gitter wurden im nahen Feld einer Null-Phasenmaskierung der Nullordnung geschrieben. Die Laserleistung vor der Phasenmaskierung betrug 55 mW, mit einer kurzen Gitterlänge von 7 mm (1/e2 Durchmesser Gaußsche Adopisation) bei 100 Mikron für eine Spitzenintensität von 20 W/cm2.
  • Gitter wurden in drei Proben von Beispiel 16 der vorliegenden Erfindung unter herkömmlichen Bedingungen geschrieben, gebacken und Wasserstoff- oder Deuteriumbeladen. Die Gitterwachstumsgeschwindigkeit war auf Grund einer Kombination von reduziertem Sensibilisierungsdruck, niedrigerem Germaniumgehalt im Glas und Spurabsorption des Beschichtungsmaterials langsamer als die vom Beispiel der blanken Faser. Gitter mit einer Reflektion von > 99% wurden innerhalb einer dreiminütigen Belichtung mit dem Ultraviolettlaser durch eine Nanocomposit-Beschichtung geschrieben. Eine mikroskopische Auswertung der Gitter zeigte keine Anzeichen von Beschädigung bei Belichtung mit ultravioletter Strahlung.
  • Dispersionskompensationsgitter wurden in mit Nanocomposit-Beschichtung beschichtete Fasern von Beispiel 16 geschrieben. Ein beispielhaftes bei 70% Laserleistung durch eine Nanocomposit-Beschichtung geschriebenes Gitter, um eine Dispersion von –420 ps/nm und eine Bandbreite von 1,5 nm zu erhalten, zeigte einen Übertragungsverlust von 5,5 dB. Gitter von diesem Typ weisen verglichen mit blanken Fasern auf Grund von mäßiger Absorption der Zirkoniumdioxidnanocomposit-Beschichtung bei hoher Laserstrahlintensität, reduzierte optische Festigkeit auf.
  • Das Aussetzen von Fasern an erhöhte Temperaturen bis zu 300°C für eine Dauer von 10 Minuten zeigte keinen Abbau der Beschichtung (E16), sodass die Gitter bei Bedingungen, die typischerweise für kurze Gitter eingesetzt werden, sowie bei Bedingungen von 200°C, 20 Minuten, die für Dispersionskompensationsgitter verwendet werden, getempert werden können.
  • Die mit Nanocomposit-Beschichtung beschichteten optischen Fasern von Beispiel E3 stellen Dispersionskompensationsgitter mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu denjenigen, die in Fasern mit der Nanocomposit-Beschichtung von Beispiel E16 geschrieben sind, bereit. Mehrere Wiederholungen von beschichteten Fasern wurden wie vorstehend beschrieben durch Beschichten von Beispiel E3 im Zugturm hergestellt. Wie vorher wurde die optische Faser gezogen, um eine lichtempfindliche optische Germaniumsilikatfaser mit hoher Blendenzahl bereitzustellen. Nach der Aufbringung der Siliziumdioxidhaltigen Nanocomposit-Beschichtung wurde die beschichtete Faser vor der Bildung von Dispersionskompensationsgittern mit Längen von etwa 7 cm bis etwa 30 cm mit Deuterium beladen. Die Herstellung von längeren Dispersionskompensationsgittern, insbesondere Gittern mit hoher Dispersion oder großer Bandbreite, ist unter Verwendung von erfindungsgemäßen Nanocomposit-Beschichtungen möglich. Tabelle 7 zeigt die Eigenschaften von in optische Fasern mit Siliziumdioxidnanocomposit-Beschichtungen von Beispiel E3 geschriebene Dispersionskompensationsgitter. Gitter von Beispiel G1 und G2 wurden durch die ultravioletttransparente gehärtete Nanocomposit-Beschichtung geschrieben, die mit einer Beschichtungsgeschwindigkeit von 30 Metern pro Minute (mpM) auf die optische Faser aufgebracht wurde. Die Beispiele G3 und G4 verwendeten mit 60 mpM beschichtete optische Fasern. Tabelle 7 zeigt klar, dass mit Siliziumdioxidnanocomposit-Beschichtungen beschichtete optische Fasern Dispersionskompensationsgitter mit Gittereigenschaften ergaben, die den Gittern CG1 und CG2, hergestellt unter Verwendung von blanken optischen Fasern, frei von jeglicher potentiellen strahlungsabschwächenden Beschichtung, sehr ähnlich waren. Beschichtete und unbeschichtete optische Fasern aus Germanosilicat wurden aus dem gleichen lichtempfindlichen Vorformling erhalten. Dies bestätigt, dass Siliziumdioxidnanocomposit-Beschichtungen die Intensität des zum Bilden von Dispersionskompensationsgittern verwendeten Ultraviolettlasers nicht deutlich schwächt.
  • Tabelle 7 – Dispersionskompensationsgittereigenschaften
    Gitterbeispiel Optische Faser (Ge dotiert) Dispersion (ps/nm) Bandbreite (nm) Optische Festigkeit (db)
    CG1 Blank –420 0,8 16
    CG2 Blank –420 0,8 16
    G1 Beschichtet mit E3 –420 0,8 12
    G2 Beschichtet mit E3 –420 0,8 13
    G3 Beschichtet mit E3 –420 0,8 12
    G4 Beschichtet mit E3 –420 0,8 12
  • Wie erforderlich, sind Details der vorliegenden Erfindung hier offenbart; jedoch ist es klar, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind. Deshalb sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als beschränkend ausgelegt, sondern lediglich als eine Basis für die Ansprüche und als eine darstellende Basis, um dem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig einzusetzen.

Claims (16)

  1. Beschichtungsdispersion umfassend: ein Polyorganosilsesquioxan; und ein Oxidpulver, das in dem Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, wobei das Oxidpulver ein anorganisches Oxidpulver, ausgewählt aus gemischten Oxiden und Gemischen aus Oxiden von Silizium, Zirkonium, Aluminium, Vanadium und Hafnium, ist, wobei das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen und wobei die Beschichtungsdispersion eine Beschichtung bereitstellt, die Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist.
  2. Beschichtungsdispersion nach Anspruch 1, wobei die mehreren Partikel des Oxidpulvers mit einem Oberflächen-Modifikationsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbonsäuren, Carbonsäurederivaten und Silanen und Gemischen daraus, oberflächenbehandelt worden sind.
  3. Beschichtungsdispersion nach Anspruch 2, wobei die Carbonsäurederivate ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Hexansäure und 2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy]essigsäure.
  4. Beschichtungsdispersion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Polyorganosilsesquioxan ausgewählt ist aus Polymethylsilsesquioxanen und Mischungen daraus mit einem Molekulargewicht von etwa 2.300 bis etwa 15.000, wie durch Gel-Permeations-Chromatographie bestimmt.
  5. Beschichtungsdispersion nach Anspruch 1, umfassend: ein Polyorganosilsesquioxan, ausgewählt aus Polymethylsilsesquioxanen und Mischungen daraus mit einem Molekulargewicht von etwa 2.300 bis etwa 15.000, wie durch Gel-Permeations-Chromatographie bestimmt; und ein anorganisches Oxidpulver, das in dem Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, wobei das Oxidpulver ein anorganisches Oxidpulver, ausgewählt aus gemischten Oxiden und Gemischen aus Oxiden von Silizium, Zirkonium, Aluminium, Vanadium und Hafnium, ist, wobei das anorganische Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel enthält, die durch ein Oberflächen-Modifikationsmittel oberflächenbehandelt worden sind, wobei die mehreren Partikel eine Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern aufweisen, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen und wobei die Beschichtungsdispersion Haftung an einer siliziumdioxidhaltigen Oberfläche aufweist, um eine Beschichtung bereitzustellen, die Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist.
  6. Gehärtete Beschichtung, umfassend: ein thermisch gehärtetes Polyorganosilsesquioxan; und ein Oxidpulver, das in dem gehärteten Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, wobei das Oxidpulver ein anorganisches Oxidpulver, ausgewählt aus gemischten Oxiden und Gemischen aus Oxiden von Silizium, Zirkonium, Aluminium, Vanadium und Hafnium, ist, wobei das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen und wobei die gehärtete Beschichtung Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist.
  7. Gehärtete Beschichtung nach Anspruch 6, wobei die mehreren Partikel des Oxidpulvers durch ein Oberflächen-Modifikationsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbonsäuren, Carbonsäurederivaten und Silanen und Gemischen daraus, oberflächenbehandelt worden sind.
  8. Gehärtete Beschichtungsdispersion nach Anspruch 7, wobei die Carbonsäurederivate ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Hexansäure und 2-[2-(2-methoxyethoxy)ethoxy]essigsäure.
  9. Gehärtete Beschichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Polyorganosilsesquioxan ausgewählt ist aus Polymethylsilsesquioxanen und Mischungen daraus mit einem Molekulargewicht von etwa 2.300 bis etwa 15.000.
  10. Gehärtete Beschichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Transparenz für ultraviolette Strahlung für etwa 3,0 Sekunden bis > 300 Sekunden während der Belichtung mit 500 W/cm2 ultravioletter Strahlung anhält.
  11. Gehärtete Beschichtung nach Anspruch 10, wobei die Transparenz für ultraviolette Strahlung etwa 18 Sekunden bis > 300 Sekunden während der Belichtung mit 250 W/cm2 ultravioletter Strahlung anhält.
  12. Verfahren zur Zugturm-Aufbringung einer Nanocomposit-Beschichtungsdispersion auf eine optische Faser, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Nanocomposit-Beschichtungsdispersion, umfassend: ein Polyorganosilsesquioxan; und ein Oxidpulver, das in dem Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, um eine Beschichtungsdispersion bereitzustellen, wobei das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen und wobei die Beschichtungsdispersion Haftung an der optischen Faser aufweist; Zuführen der Nanocomposit-Beschichtungsdispersion zu mindestens einer Beschichtungsdüsenanordnung in einem Zugturm für optische Fasern zur Aufbringung von mindestens einer Schicht der Nanocomposit-Beschichtungsdispersion auf die optische Faser; und Härten der mindestens einen Schicht bei erhöhter Temperatur, um eine gehärtete Durchschreib-Beschichtung mit einer Dicke im Bereich von etwa 2 μm bis etwa 10 μm auf der optischen Faser bereitzustellen, wobei die gehärtete Durchschreib- Beschichtung Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist, die für etwa 18 Sekunden bis > 300 Sekunden während der Belichtung mit 250 W/cm2 ultravioletter Strahlung anhält.
  13. Beschichtete optische Faser, umfassend: eine siliziumdioxidhaltige optische Faser, enthaltend einen Kern in einer Hülle; und eine gehärtete Beschichtung, umfassend: ein thermisch gehärtetes Polyorganosilsesquioxan; und ein Oxidpulver, das in dem gehärteten Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, wobei das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der gehärteten Beschichtung in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen und wobei die gehärtete Beschichtung Haftung an der siliziumdioxidhaltigen optischen Faser aufweist und des Weiteren Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist.
  14. Beschichtete optische Faser nach Anspruch 13, wobei das Oxidpulver mindestens ein erstes Oxidpulver und mindestens ein zweites Oxidpulver enthält, um ein Verhältnis zwischen dem mindestens einen ersten Oxidpulver und dem mindestens einen zweiten Oxidpulver bereitzustellen, wobei sich der Brechungsindex der gehärteten Beschichtung mit der Änderung des Verhältnisses zwischen etwa 1,2 und etwa 1,7 ändert.
  15. Faseroptische Vorrichtung, umfassend: eine optische Faser, die strahlungsempfindlich ist; eine gehärtete Beschichtung, die transparent für die Strahlung ist, wobei die gehärtete Beschichtung umfasst: ein gehärtetes Polyorganosilsesquioxan; und ein Oxidpulver, das in dem gehärteten Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, um die gehärtete Beschichtung mit Haftung an der optischen Faser bereitzustellen; und eine strahlungsbedingte Variation des Brechungsindex in der optischen Faser, hergestellt während des Durchtretens der Strahlung durch die gehärtete Beschichtung, um die faseroptische Vorrichtung bereitzustellen, wobei das Oxidpulver mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält und wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als 100 Nanometern in der gehärteten Beschichtung in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen.
  16. Verfahren zur Bildung einer faseroptischen Vorrichtung, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer lichtempfindlichen optischen Faser; Beschichten der lichtempfindlichen optischen Faser mit einer Durchschreib-Beschichtung, die transparent für ultraviolette Strahlung ist, wobei die Durchschreib-Beschichtung umfasst: ein Polyorganosilsesquioxan; und ein Oxidpulver, das in dem Polyorganosilsesquioxan dispergiert ist, um eine Beschichtungsdispersion bereitzustellen, wobei das Oxidpulver einen Brechungsindex von etwa 1,2 bis etwa 2,7 aufweist und mehrere Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern enthält, wobei die mehreren Partikel mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 100 Nanometern in der Dispersion in einer Menge von etwa 10 Gew.% bis etwa 80 Gew.% vorliegen und wobei die Beschichtungsdispersion Haftung an der lichtempfindlichen optischen Faser aufweist; Härten der Beschichtungsdispersion, um eine beschichtete optische Faser bereitzustellen, die darauf eine gehärtete Durchschreib-Beschichtung mit Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist; und Belichten der beschichteten optischen Faser mit ultravioletter Strahlung, um eine Änderung im Brechungsindex in der beschichteten optischen Faser herzustellen, um die faseroptische Vorrichtung bereitzustellen.
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