CH627284A5

CH627284A5 -

Info

Publication number: CH627284A5
Application number: CH319478A
Authority: CH
Inventors: John Irven; Andrew Peter Harrison
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1981-12-31
Also published as: IT1115594B; JPS541046A; NL188967C; NL7802743A; NL188967B; AU515635B2; FR2384722A1; US4165224A; AU3440778A; JPS6055449B2; BR7801784A; GB1562032A; ES468096A1; FR2384722B1; CA1097503A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Siliciumdioxid bestehenden Lichtleitfaser-Rohlings, in welchem das den Rohling-Kern zu bildende Material ein verflüchtigendes Oxid enthält und als eine auf der Innenwand eines Siliciumdioxid-Rohres abgelagerte, aus dotiertem Siliciumdioxid bestehende Schicht gebildet wird.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Lichtleitfaser-Rohlingen bekannt. Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung des Kernmaterials bedient sich der gleichzeitigen Ablagerung von Siliciumdioxid mit einem oder mehreren Dotierungsstoffen durch eine Dampfphasenreaktion. In einem weitern Verfahren wird die Dampfphasenreaktion dazu verwendet, Dotierungsstoff auf eine Siliciumdioxid-Oberfläche abzulagern,

55 Ge02-

=GeO

+ T°>

Vorausgesetzt die an der Innenwand des Rohres abgelagerte Schicht weist eine Brechungsindexabstufung auf, die in Abwe-60 senheit des Verflüchtigungseffekts eine optimale Abstufung im Rohling herbeiführen würde, dann wirkt sich die Verflüchtigung durch eine Herabsetzung des Brechungsindexes im Mittelpunkt des Rohling-Kerns aus, siehe Fig. la. Eine weitere Auswirkung der Verflüchtigung: es kommt zu einer Längsvariation des Bre-65 chungsindexprofils. Germaniumdioxid geht über das Suboxid in der heissen Zone aus der Rohrwand verloren; da es sich jedoch um eine reversible Reaktion handelt, schlägt sich ein Teil dieses Oxids in kühlem Regionen der Innenwand nieder, wobei sich

diese Regionen vor der sich bewegenden heissen Zone befinden. Ein Teil dieses Kondensats wird durch Diffusion in das Glas während der Fortbewegung der heissen Zone wieder einverleibt, was zur Bildung einer zentralen Spitze innerhalb des Wellentales des Brechungsindexverlaufs im Kernmittelpunkt des Rohlings führen kann. Diese Spitze ist an jenem Ende am höchsten, welches am längsten der Rekondensation des Dotierungsstoffs ausgesetzt war und kann an diesem Ende ein Brechungsindexprofil gemäss Fig. lb aufweisen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren anzugeben, bei welchem der Verflüchtigungsverlust während des Schrumpfungsprozesses der Rohrbohrung reduziert oder eliminiert werden kann.

Merkmale einer derartigen Verfahrens sind im Anspruch 1 angegeben.

Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. la und lb Brechungsindexprofile an entgegengesetzten Enden eines Lichtleitfaser-Rohlings, hergestellt unter Verwendung eines verflüchtigenden Dotierungsstoffs,

Fig. 2 ein Schema einer Vorrichtung zur Herstellung eines Lichtleitfaser-Rohlings unter Verwendung eines verflüchtigenden Dotierungsstoffs, und schliesslich

Fig. 3 ein Brechungsindexprofil eines Lichtleitfaser-Rohlings, der mit Hilfe der Vorrichtung gemäss Fig. 2 hergestellt wurde.

Beim erfindungsgemässen Herstellungsvorgang durchfliesst während des Schrumpfungsprozesses der Rohrbohrung diese Bohrung eine Mischung von Sauerstoff und Halogenid eines verflüchtigenden Dotierungsstoffs. Eine reversible Reaktion verbindet den Sauerstoff und das Halogenid des Dotierungsstoffs mit dem Dotierungsstoff-Oxid und dem Halogen. Für Phosphor- bzw. Germanium-Dotierungsstoffe kann das Oxy-chlorid bzw. das Chlorid verwendet werden. Wird also die Bohrung eines Siliciumdioxid-Rohres, dessen Innenwand mit germaniumdotiertem Siliciumdioxid beschichtet ist, einem Schrumpfungsprozesses unterworfen, durchfliesst Germaniumtetrachlorid und Sauerstoff das Rohr während des erwähnten Prozesses. In der heissen Zone reagiert das Chlorid und der Sauerstoff, um Germaniumdioxid und Chlor zu erzeugen. Das derart gebildete Germaniumdioxid neigt zum Dissoziieren und bildet Germanium(II)-Oxid (Suboxid) (GeO) und Sauerstoff. Das derart entstandene, überschüssige Germanium(II)-Oxid neigt dazu, die Gleichgewichtsverflüchtigungs-Reaktion umzukehren, wodurch der Verlust von Germaniumdioxid aus der Oberflächenregion der Rohrinnenwand unterdrückt wird.

GeCl4 + 02 Ge02 + 2C12

Verflüchtigung

Ge02 — ~~ GeO + — 02 Gleichgewicht

Natürlich kann der Halogenid- und Sauerstoff-Durchfluss durch das Rohr nur aufrechterhalten werden, solange die Bohrung noch unverschlossen ist. Während des endgültigen Zusammenfalls der Bohrung wird der Durchfluss eingestellt und als Folge tritt ein gewisser Verlust durch Verflüchtigung auf. In diesem Stadium ist jedoch die Bohrungsoberfläche bereits erheblich reduziert durch den vorangehenden Schrumpfungspro-zess des Bohrungsdurchmessers. Eine Verflüchtigung tritt also während lediglich eines Durchgangs der heissen Zone auf. Der Totalverlust bei diesem erfindungsgemässen Herstellungsvorgang ist im Vergleich mit jenem bei einem herkömmlichen Herstellungsvorgang, bei welchem kein Halogenid- und Sauerstoff-durchfluss während des Schrumpfungsprozesses der Bohrung vorgesehen ist, stark reduziert.

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Damit ein Gasdurchfluss entsteht, muss ein Druckgradient vorhanden sein, durch welchen der Druck in der Bohrung gegenüber dem Aussendruck etwas erhöht wird. Bei der Grösse dieses Überdrucks handelt es sich um den erforderlichen Wert, welcher der bereits erwähnten Tendenz zur Abflachung zur der Rohrbohrung während des Schrumpfungsprozesses entgegenwirkt.

Diese Abflachungstendenz der schrumpfenden Bohrung ist bei verhältnismässig grossen Bohrungsdurchmessern und dünnen Rohrwänden grösser. Es sind Herstellungsverfahren bekannt, bei welchen eine Druckdifferenz während des letzten Zusammenfalldurchgangs der heissen Zone erzeugt wird, um der Abflachungstendenz entgegenzuwirken; diese Durckdiffe-renz am Ende des Herstellungsverfahrens hat jedoch bei weitem nicht die Bedeutung, welche ihr beim Einsetzen bereits in den anfänglichen Stadien des Schrumpfungsprozesses der Bohrung zukommen würde.

Die erforderliche Druckdifferenz könnte dadurch erzeugt werden, dass man die das Rohr durchfliessenden Gase über ein Regelventil, welches stromabwärts im Rohr angebracht ist, in die Atmosphäre entweichen lassen würde. Eine derartige Anordnung weist jedoch wichtige Nachteile auf. Das das Rohr durchmessende Gas passier nämlich die heisse Zone, wodurch die Temperatur im Rohrinnern ständig ansteigt; da das Volumen zwischen der heissen Zone und dem Anzapfventil praktisch konstant bleibt, wird der Temperaturanstieg durch eine Druckerhöhung begleitet. Dieser Vorgang, gekoppelt mit der Tendenz des Regelventils, durch aus der heissen Zone stammenden Ger-maniumoxid-Russ blockiert zu werden, kann zu einer gefährlichen Erhöhung des Innendrucks führen, welcher Überdruck kann die Wandung des Rohres anschwellen lässt, bis es zum Durchbruch kommt.

Das Problem des Temperaturanstiegs kann durch einen zwischen das Rohr und das Regelventil angebrachten Speicherbehälter beseitigt werden. Ein Anstieg der Temperatur im Rohr kann dann keine Druckerhöhung bewirken, da das Rohrvolumen im Vergleich zu jenem des Behälters klein ist. Der Behälter kann gleichzeitig zum Auffangen von Russ dienen, welcher sich im Behälter ablagert, ehe er das Ventil erreicht. Restmengen von Russ können jedoch noch immer eine Blockierung des Regelventils bewirken. Das Ventil kann also durch eine lange Rohrleitung ersetzt werden.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Das Siliciumdioxid-Rohr, dessen Innenwand mit einer germaniumdotierten Siliciumdioxidschicht mit abgestuftem Brechungsindex versehen ist, wird in der Fig. mit 20 bezeichnet. Über ein Einleitungsrohr 21 wird dem Siliciumdioxid-Rohr 20 eine Dampfmischung von Sauerstoff und Germanium-Tetrachlorid zugeführt. Aus dem Rohr 20 gelangt diese Mischung über ein Verbindungsrohr 22 in einen Speicherbehälter 23, an dessen Ausgang eine lange Rohrleitung 24 angeschlossen ist. Alternativ kann das Einleitungsrohr 21 mit einem T-förmigen Glied 25 versehen sein, dessen zweiter Arm an ein Regelventil 26 angeschlossen ist.

Die Dampfmischung von Sauerstoff und Germanium-Te-trachlorid entsteht, indem Dampf in Sauerstoff mitgenommen wird, welcher durch flüssiges, auf einer konstanten Temperatur gehaltenes Germanium-Tetrachlorid durchbrodelt wurde. Bei der konstanten Temperatur handelt es sich üblicherweise um Raumtemperaturen, die Durchbrodelung von Sauerstoff erfolgt mit einer Rate von 5 ccm/min. und diese Mischung wird einem Sauerstoffstrom hinzugefügt, was eine Gesamtdurchflussmenge von 500 ccm/min ergibt. Das Siliciumdioxid-Rohr 20 ist üblicherweise Im lang, weist eine Wanddicke von 1mm und einen Bohrungsdurchmesser von 10mm auf und wird während des Schrumpfungsprozesses und des Zusammenfallens seiner Bohrung kontinuierlich um die eigene Achse gedreht. Zu diesem

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Zwecke ist das Rohr 20 in einer Art Drehbank montiert (nicht gezeigt), welche mit einem Paar synchronangetriebenen Spannbacken versehen ist. Dreh-Gasverschlüsse werden benötigt, um das Einleitungsrohr 21 und das Verbindungsrohr 22 mit den Enden des Siliciumdioxid-Rohres 20 zu verbinden. Derartige Verschlüsse werden beispielsweise in der Britischen Patentanmeldung Nr. 10926/76 beschrieben. Die Dimensionen des Verschlusses zwischen dem Rohr 20 und dem Rohr 22 werden so gewählt, dass eine Blockierung durch Germaniumoxid-Russ, welcher aus der heissen Zone stammt, womöglich verhindert wird. Der Speicherbehälter 23 weist üblicherweise eine Kapazität von ungefähr 201 auf und kann aus inertem Kunststoff material, wie z.B. Polypropylen, hergestellt sein. Der erforderliche Überdruck im Rohr 20 beträgt ungefähr 1 mm Hg und dieser Überdruck kann durch die Verwendung eines ungefähr 50 m langen inerten (PVC)-Kunststoffrohres 24 mit einem Durchmesser von ungefähr 10 mm erreicht werden.

Bei einem üblichen, erfindungsgemässen Herstellungsvorgang fällt die Bohrung des Rohres nach drei Durchgängen der heissen Zone vollkommen zusammen. Beim ersten Durchgang schrumpft die Bohrung von einem Durchmesser von 10 mm auf einen solchen von 4 mm zusammen ; beim zweiten Durchgang verringert sich der Durchmesser von ungefähr 4 mm auf ungefähr 1 mm. Beim letzten Durchgang ist es nicht mehr möglich den Gasdurchfluss durch die Bohrung des Rohres 20 aufrechtzuerhalten, folglich wird der durch Germanium-Tetrachlorid 5 fliessende Gasstrom abgestellt. Weist die Vorrichtung gemäss Fig. 2 ein T-förmiges Glied 25 mit dem Regelventil 26 auf, kann dieses Ventil geöffnet und der Sauerstoff-Fluss während des letzten Durchgangs der heissen Zone aufrechterhalten werden, um den erforderlichen Überdruck zu liefern. Unter diesen Um-io ständen erfolgt der letzte Durchgang vom entfernteren Ende des Rohres 20 zurück zum dem T-förmigen Glied 25 näher liegenden Ende.

Fig. 3 zeigt das Brechungsindexprofil eines gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Rohlings. Ein Restia Wellental in der Mitte ist noch immer ersichtlich, seine Grösse und Tiefe sind jedoch stark reduziert und ausserdem ist zu sagen, dass sich dasselbe Profil entlang der ganzen Länge des Rohlings erstreckt.

Nach dem endgültigen Zusammenfall der Bohrung wird der 20 resultierende Rohling in eine Ziehvorrichtung montiert, in welcher dann die Lichtleitfaser aus diesem Rohling in üblicher Weise heruntergezogen wird.

C

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines aus Siliciumdioxid bestehenden Lichtleitfaser-Rohlings, in welchem das den Rohling-Kern zu bildende Material ein verflüchtigendes Oxid enthält und als eine auf der Innenwand eines Siliciumdioxidrohres abgelagerte, aus dotiertem Siliciumdioxid bestehende Schicht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der dotierten Siliciumdioxid beschichtete Bohrung des Siliciumdioxid-Rohres (20) zuerst zum Zusammenschrumpfen und schliesslich zum Zusammenfallen durch wiederholte Durchgänge einer heissen Zone entlang dem sich um seine Längsachse drehenden Rohr gebracht wird, dass während der Schrumpfung der Bohrung ein Überdruck in dieser durch den Durchfluss einer Gasmischung, enthaltend Sauerstoff und ein Halogenid oder ein Oxyhalogenid des das genannte verflüchtigende Oxid aufweisenden Elementes, durch die Bohrung aufrechterhalten wird, wobei diese Mischung das Siliciumdioxid-Rohr (20), einen Speicherbehälter (23) und schliesslich eine unverengte, lange Rohrleitung (24) durchfliesst, deren rheologische Leitfähigkeit klein genug ist, um den erwünschten Überdruck im Siliciumdioxid-Rohr aufrechtzuerhalten, welcher Überdruck der Abflachungstendenz des Rohres während des Schrumpfvorgangs seiner Bohrung entgegentritt, und dass die Konzentration des Halogenids oder des Oxyhalogenids in Bezug auf den Sauerstoff so gewählt wird,

dass sie mindestens teilweise den Verlust des Oxids, welcher durch dessen Verflüchtigung während des Schrumpfungsprozesses der Bohrung entstanden ist, ersetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Kern des Rohlings zu bildende Material mindestens zwei verflüchtigende Oxide enthält, und dass die erwähnte Gasmischung Sauerstoff und ein Halogenid oder ein Oxyhalogenid jedes der die erwähnten verflüchtigenden Oxide aufweisenden Elements enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Rohlings das verflüchtigende Oxid Germaniumdioxid enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmischung Germaniumtetrachlorid enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Rohlings das verflüchtigende Oxid Phosphor-pentoxid enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmischung Phosphoroxychlorid enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des letzten Durchgangs der heissen Zone, durch welchen die Bohrung des Siliciumdioxid-Rohres zum Zusammenfallen gebracht wird, der erwünschte Überdruck im restlichen, noch nicht zusammengefallenen Teil der Bohrung aufrechterhalten wird, um der Tendenz der Abflachung des Rohres während des Zusammenfallens seiner Bohrung entgegenzutreten.

welche Ablagerung dann in das Siliciumdioxid diffundiert. In beiden erwähnten Fällen wird es vorgezogen, aus der Dampfphasenreaktion Wasserstoff und Wasserstoff enthaltende Verbindungen auszuschliessen.

5 Das erwähnte Siliciumdioxid-Rohr, aus welchem der Rohling entsteht, kann vorzugsweise aus dotiertem Siliciumdioxid bestehen, wobei es seinerseits durch eine auf derlnnenwand eines rohrförmigen Substrats abgelagerte Schicht gebildet wird.

In einem Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herrn Stellung eines Lichtleitfaser-Rohlings wird das Siliciumdioxid-Rohr, zusammen mit der Ablagerung an seiner Innenwand, erhitzt und dadurch weichgemacht. Durch die Wirkung der Oberflächenspannung fällt dann das Rohr in sich zusammen. Die Wärmequelle, z.B. eine Knallgasflamme, erzeugt eine lokali-35 sierte heisse Zone, welche langsam entlang dem Rohr fortbewegt wird, um eine lokalisierte Aufweichung der Rohrwandung zu verursachen. Eine Anzahl von Durchgängen der heissen Zone verursacht dann das Zusammenfallen des Rohres, wobei der Durchmesser der Rohrbohrung schrittweise reduziert wird, bis 20 es beim letzten Durchgang der heissen Zone zum Zusammenfallen des Rohres kommt. Es entsteht ein fester Faserrohling, aus welchem dann die Lichtleitfaser durch Herunterziehen gebildet werden kann.

Ein Nachteil dieses Herstellungsverfahrens ist darin zu er-25 blicken, dass beim Weichwerden des Rohres und beim Zusam-menfall-Vorgang die Oberflächenspannungen bestrebt sind, eine Minimalenergie-Konfiguration herbeizuführen. Diese ist leider nicht kreisförmig symmetrisch, vielmehr wird die Innenbohrung des Rohres abgeflacht.

30 Ein zweites Problem tritt auf, wenn das Kernmaterial einen verflüchtigenden Dotierungsstoff, wie z.B. Germaniumdioxid und/oder Phosphorpentoxid, enthält. Bei hohen Temperaturen, die zum Weichmachen der Rohrwandung nötig sind, kann es zur Verflüchtigung und zum Verlust des verflüchtigenden Dotie-35 rungsstoffs aus der Innenwandoberfläche kommen, wodurch das Brechungsindexprofil des resultierenden Rohlings abgeändert wird.

Um in einer Lichtleitfaser eine kleine Impulsstreuung zu 40 erhalten, ist es nötig, das Brechungsindexprofil entlang der Kernregion abzustufen, und so eine fast parabolische Form zu erhalten. Die Konzentration eines den Brechungsindex erhöhenden Dotierungsstoffs sollte am Umfang des Kerns niedrig gehalten werden, wobei seine Erhöhung abgestuft erfolgt, um 45 das Maximum in der Kernmitte zu erreichen. Jede Abweichung vom idealen Brechungsindexprofil schadet der Bandbreite der zukünftigen Faser. Als Beispiel soll nun Germaniumdioxid als ein den Brechungsindex erhöhender Dotierungsstoff verwendet werden; bei Temperaturen um 2000-2200 °C, die nötig sind, so um das Siliciumdioxidrohr weich zu machen und es zum Zusammenfallen zu bringen, kommt es zu Verlusten von Germaniumdioxid durch Verflüchtigung über das Suboxid gemäss der Reaktion: