DE10152328B4

DE10152328B4 - Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Quarzglas, rohrförmiges Halbzeug aus porösem Quarzglas u. Verwendung desselben

Info

Publication number: DE10152328B4
Application number: DE10152328A
Authority: DE
Inventors: Oliver Humbach; Frank Gänsicke; Dirk Kruber; Marcus Dietrich; Ralph Sattmann
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: CN1275887C; US20050000250A1; JP2005507358A; DE10152328A1; JP4229442B2; CN1575261A; WO2003037808A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Quarzglas durch Flammenhydrolyse einer Silizium enthaltenden Ausgangskomponente, umfassend Verfahrensschritte, in denen die Ausgangskomponente einem Abscheidebrenner zugeführt, mittels diesem SiO₂ enthaltende Partikel erzeugt, die Partikel unter Bildung eines Sootrohres mit poröser Sootwandung mit vorgegebenem radialen Soot-Dichteprofil auf einem um seine Längsachse rotierenden Träger abgeschieden werden, das Sootrohr in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt, und das behandelte Sootrohr verglast wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Innenbereich (1) der Sootwandung eine höhere Dichte (4) von mindestens 25% der Dichte von Quarzglas, in einem Außenbereich (3) der Sootwandung eine geringere Dichte, und in einem an den Innenbereich (1) anschließenden Übergangsbereich (2) eine zum Außenbereich (3) hin abnehmende Dichte eingestellt wird, mit der Maßgabe, dass sich der Übergangsbereich (2) über mindestens 70 % der Stärke der Sootwandung erstreckt.

Description

Die Endung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Quarzglas durch Flammenhydrolyse einer Silizium enthaltenden Ausgangskomponente, umfassend Verfahrensschritte, in denen die Ausgangskomponente einem Abscheidebrenner zugeführt, mittels diesem SiO₂ enthaltende Partikel erzeugt, die Partikel unter Bildung eines Sootrohres mit poröser Sootwandung mit vorgegebenem radialen Soot-Dichteprofil auf einem um seine Längsachse rotierenden Träger abgeschieden werden, das Sootrohr in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt, und das behandelte Sootrohr verglast wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein rohrförmiges Halbzeug aus Quarzglas mit einer porösen SiO₂-Sootwandung mit vorgegebenem radialen Dichteprofil, und eine Verwendung eines derartigen Rohres.

Quarzglasrohre werden als Ausgangsmaterial für Vorformen für optische Fasern eingesetzt. Die Vorformen weisen im allgemeinen einen Kern auf, der von einem Mantel aus einem Material mit kleinerer Brechzahl umhüllt ist. Für die Herstellung des Kerns von Vorformen aus synthetischem Quarzglas haben sich Verfahrensweisen durchgesetzt, die als VAD-Verfahren (vapor-phase axial deposition; axiale Abscheidung aus der Dampfphase), OVD-Verfahren (outside vapor-phase deposition; Außenabscheidung aus der Dampfphase), MCVD-Verfahren (modified chemical vapor-phase deposition; Innenabscheidung aus der Dampfphase) und PCVD-Verfahren (plasma chemical vapor-phase deposition; Plasma-unterstützte Abscheidung aus der Dampfphase) bezeichnet werden. Bei allen diesen Verfahrensweisen wird das Kernglas dadurch erzeugt, daß SiO₂-Partikel auf einem Substrat abgeschieden und verglast werden. Die Abscheidung des Kernglases erfolgt bei VAD- und OVD-Verfahren von außen auf einem Substrat; bei MCVD- und PCVD-Verfahren auf der Innenwandung eines sogenannten Substratrohres. Das Substratrohr kann eine reine Stützfunktion für das Kernmaterial haben, es kann aber auch selbst einen Teil des lichtführenden Kerns bilden. In Abhängigkeit vom Faserdesign besteht das Substratrohr aus dotiertem oder undotiertem Quarzglas. Darüberhinaus ist die Herstellung von Vorformen nach der sogenannten Stab-in-Rohr-Technik bekannt, bei der ein Stab aus einem Kernglas in ein Rohr aus Mantelglas eingeführt und mit diesem verschmolzen wird. Durch Elongieren der Vorform werden daraus optische Fasern erhalten.

Je nach Verfahrensweise wird das Mantelglas in einem separaten Verfahren hergestellt (OVD, Plasmaverfahren, Stab-in-Rohr-Technik), oder das Mantelglas und das Kernglas werden gleichzeitig erzeugt, wie dies beim sogenannten VAD-Verfahren üblich ist. Der Brechzahlunterschied zwischen Kernglas und Mantelglas wird durch Beimengung geeigneter Dotierstoffe eingestellt. Es ist bekannt, daß Fluor und Bor die Brechzahl von Quarzglas senken, während zur Brechzahlerhöhung von Quarzglas eine Vielzahl von Dotierstoffen geeignet sind, insbesondere Germanium, Phosphor oder Titan.

Die DE 100 50 324 C1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Quarzglas, wobei ein Sootrohr hergestellt wird, das im Bereich der Innenwandung und der Außenwandung Diffusionsbarrieren aufweist. Die Diffusionsbarrieren sind als schmale Bereiche mit höherer Dichte ausgebildet. Der Bereich zwischen den Dichtemaxima weist eine vergleichsweise geringe und im Wesentlichen konstante Dichte auf.

Die Brechzahl von Quarzglas wird auch durch Chlor geringfügig erhöht. Diese Wirkung von Chlor ist insbesondere bei der Herstellung von Quarzglas aus chlorhaltigen Ausgangsstoffen, wie SiCl₄, sowie bei der Behandlung poröser „Sootkörper" in chlorhaltiger Atmosphäre zu beachten. Beispielsweise wird in der in der EP-A 604 787 die Herstellung von dotierten Quarzglasrohren nach dem sogenannten „Sootverfahren" beschrieben, wobei durch Flammenhydrolyse der Ausgangskomponenten SiCl₄ und GeCl₄ in einem Abscheidebrenner Partikel gebildet und diese auf einem um seine Längsachse rotierenden Trägerstab schichtweise abgeschieden werden, indem der Abscheidebrenner entlang des Trägerstabs oszillierend hin- und herbewegt wird. Dabei bildet sich eine poröse, mit GeO₂ dotierte Sootwandung aus SiO₂-Partikeln. Auf dieser wird anschließend eine Mantelglasschicht aus undotiertem SiO₂ abgeschieden. Nach Entfernen des Trägerstabs wird der so hergestellte, rohrförmige Sootkörper gereinigt und dehydratisiert, was üblicherweise durch Erhitzen in chlorhaltiger Atmosphäre geschieht. Durch Verglasen (Sintern) des dehydratisierten Sootkörpers wird ein sogenannter Kernstab erhalten, der zur Fertigstellung der Vorform mit weiterem Mantelglas umgeben wird. Aus der Vorform wird eine optische Faser gezogen.

Beim Dehydratisieren in chlorhaltiger Atmosphäre kann es zu einem Einbau von Chlor in den Sootkörper kommen, und bei einem GeO₂ enthaltenden Sootkörper auch zu einer Auslaugung von GeO₂.

Diese Wirkungen von Chlor beim Dehydratisieren einer porösen Sootwandung führen in der Regel zu einer Abweichung des radialen Brechungsindexverlaufs vom Soll-Profil in der Vorform. Bei einem Soll-Profil mit einem über der Sootwandung konstanten Brechungsindexverlauf (im Folgenden auch als „homogener, radialer Brechungsindexverlauf" bezeichnet) wird nach dem Dehydratisieren häufig eine radial von innen nach außen abnehmende Brechzahl erhalten. Daraus resultiert eine in der Regel unerwünschte Veränderung der lichtführenden Eigenschaften einer optischen Faser, wie beispielsweise der sogenannten „Cut-off"-Wellenlänge. Darüber hinaus wird die Abscheiderate bei der Innenabscheidung auf Substratrohren nach dem MCVD- und PCVD-Verfahren durch die Chlorverteilung beeinflusst, so dass es zu uneinheitlichen Abscheideraten kommen kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Quarzglas-Rohres, das einen Soot-Abscheideprozess, eine Dehydratationsbehandlung unter chlorhaltiger Atmosphäre und einen Verglasungsprozess umfasst, so zu modifizieren, dass eine vorgegebene radiale Brechungsindexverteilung erhalten wird.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein rohrförmiges Halbzeug aus porösem Quarzglas bereitzustellen, bei dem die Einstellung eines vorgegebenen Verlaufs des Brechungsindex über der Rohrwandung auch nach einer Dehydratationsbehandlung durch Erhitzen in chlorhaltiger Atmosphäre erhalten wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine geeignete Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten rohrförmigen Halbzeugs anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Innenbereich der Sootwandung eine höhere Dichte von mindestens 25% der Dichte von Quarzglas, in einem Außenbereich der Sootwandung eine geringere Dichte, und in einem an den Innenbereich anschließenden Übergangsbereich eine zum Außenbereich hin abnehmende Dichte eingestellt wird, mit der Maßgabe, dass sich der Übergangsbereich über mindestens 70 % der Stärke der Sootwandung erstreckt.

Bei der Dehydratationsbehandlung des Sootrohres kann es zu einem radial inhomogenen Einbau von Chlor oder zumindest zu einer radial inhomogenen Wirkung des Chlors innerhalb der Sootwandung kommen, die zu einer inhomogenen Brechungsindexverteilung im verglasten Rohr beiträgt. Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine derartige radial inhomogene Wirkung des Chlors durch eine Einstellung eines speziellen radialen Dichteprofils im Sootkörper so kompensiert oder eliminiert werden kann, dass nach dem Verglasen ein Quarzglasrohr mit radial homogener Brechungsindexverteilung erhalten wird.

Das dazu erforderliche, spezielle radiale Dichteprofil zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichte in einem Übergangsbereich von einem höheren Wert von mindestens 25% (im Innenbereich), nach außen hin, bis zum Außenbereich der Sootwandung abfällt. Der Übergangsbereich erstreckt sich im Idealfall über die gesamte Sootwandung, wobei in dem Fall der Innenbereich mit der Innenwandung des Sootrohres zusammenfällt, und der Außenbereich an der äußeren freien Oberfläche des Sootrohres endet. Der gewünschte technische Erfolg stellt sich aber – wenn auch in vermindertem Maße – auch noch ein, wenn der Innenbereich nach außen, oder der Außenbereich nach innen verschoben sind, mit der Maßgabe, dass der dazwischen liegende Übergangsbereich mindestens 70% der Stärke der Sootwandung ausmacht. Den Anforderungen nicht genügende Oberflächenbereiche können im übrigen nach dem Verglasen des Sootrohres relativ leicht entfernt werden, zum Beispiel durch Schleifen oder Säuern.

Den Angaben zur relativen Dichte innerhalb der Sootwandung liegt eine Quarzglas-Dichte von 2,21 g/cm³ zu Grunde. Zur Messung der Dichte werden Proben aus der Sootwandung entnommen und durch Röntgenverfahren vermessen.

Vorzugsweise wird zwischen der höheren Dichte im Innenbereich und der geringeren Dichte im Außenbereich eine Differenz im Bereich zwischen 1% und 15%, vorzugsweise im Bereich zwischen 4% und 12% der Dichte von Quarzglas eingestellt. Es hat sich gezeigt, dass für die Einstellung einer homogenen Brechungsindexverteilung im verglasten Quarzglasrohr der Unterschied der Dichten von Innenbereich und Außenbereich entscheidend ist, jedoch nicht der Dichtegradient im Übergangsbereich. Derselbe Dichteunterschied (Differenzbetrag) wird bei dickwandigen Sootrohren mit einem kleineren, und bei dünnwandigen Sootrohren mit einem größeren Dichtegradienten im Übergangsbereich erhalten.

Unter Berücksichtigung der genannten Dichteunteschiede zwischen Innenbereich und Außenbereich hat es sich als günstig erwiesen, im Innenbereich eine Dichte zwischen 25% und 35%, vorzugsweise zwischen 28% und 32%, und im Außenbereich eine Dichte zwischen 20% und 27%, vorzugsweise zwischen 20% und 24% einzustellen (alle Dichteangaben jeweils bezogen auf die Dichte von Quarzglas).

Es hat sich gezeigt, dass durch einen derartigen radialen Dichteverlauf eine gleichmäßigere Verteilung oder eine homogenere Einwirkung von Chlor über der Wandstärke der Sootwandung erreicht wird, so dass das radiale Brechzahlprofil im verglasten Sootrohr durch die vorgeschaltete Dehydratationsbehandlung in chlorhaltiger Atmosphäre weniger beeinflusst wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Sootrohr bevorzugt verglast, indem es unter Ausbildung einer nach innen wandernden Schmelzfront von außen erhitzt wird. Die Schmelzfront bewegt sich dabei von einem Bereich geringerer Soot-Dichte in einen Bereich höherer Dichte. Die vorteilhafte Wirkung dieser Maßnahme kann dadurch erklärt werden, dass sich durch die vorgeschaltete Dehydratationsbehandlung über der Wandstärke des Sootrohres ein Chlor-Konzentrationsprofil eingestellt hat, das durch die von außen nach innen wandernde Schmelzfront homogenisiert wird.

Vorteilhafterweise wird im Übergangsbereich eine kontinuierlich abnehmende Dichte eingestellt. Durch eine kontinuierliche, stetige Dichteabnahme von innen nach außen im Übergangsbereich werden lokale Stufen und damit einhergehende Änderungen der Einwirkung von Chlor vermieden, so dass die Einstellung eines homogenen Brechungsindex-Verlaufs im verglasten Sootrohr erleichtert wird.

Hierzu trägt auch bei, wenn im Übergangsbereich eine im wesentlichen linear abnehmende Dichte eingestellt wird.

Die von Innen nach Außen abnehmende Dichte im Übergangsbereich wird vorzugsweise durch eine allmähliche Verringerung der Oberflächentemperatur des sich bildenden Sootrohres beim Abscheiden erhalten. Die höhere Dichte wird zweckmäßigerweise eingestellt, indem die Oberflächentemperatur beim Abscheiden erhöht wird. Ein zusätzlicher Verfahrensschritt für eine Nachverdichtung ist dabei nicht erforderlich. Für die Erhöhung der Oberflächentemperatur sind eine Vielzahl von Maßnahmen geeignet. Nur beispielhaft sei auf folgende Maßnahmen verwiesen: Einstellung einer höheren Flammentemperatur des Abscheidebrenners, Veränderung des Abstands zwischen Abscheidebrenner und Sootrohr-Oberfläche, Verringern der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Abscheidebrenner und Sootrohr. Eine Verringerung der Oberflächentemperatur ergibt sich durch die entgegengesetzten Maßnahmen.

Idealerweise beginnt der Innenbereich unmittelbar an der Innenwandung des Sootrohres. Gerade die ersten Lagen der Sootwandung werden jedoch häufig nach speziellen Anforderungen (Stabilität, Elastizität u.a.) ausgelegt und können eine auf diese Anforderungen abgestimmte, geringere Dichte aufweisen. In diesen Fällen ist der Innenbereich durch ein Maximum der Sootdichte gekennzeichnet, und der Bereich der von innen nach außen abnehmenden Dichte (Übergangsbereich) setzt in einem Abstand von der Innenwandung ein, wobei dieser Abstand vorteilhafterweise maximal 30 mm, vorzugsweise maximal 20 mm beträgt.

Hinsichtlich des rohrförmigen Halbzeugs wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sootwandung in einem Innenbereich eine höhere Dichte von mindestens 25% der Dichte von Quarzglas, in einem Außenbereich eine geringere Dichte, und in einem an den Innenbereich anschließenden Übergangsbereich eine zum Außenbereich hin abnehmende Dichte aufweist, mit der Maßgabe, dass sich der Übergangsbereich (2) über mindestens 70% der Stärke der Sootwandung erstreckt.

Ein derartiges rohrförmiges Halbzeug aus porösem Quarzglas wird im folgenden auch als „Sootrohr" bezeichnet. Durch Verglasen (Sintern) wird aus dem Sootrohr ein Quarzglasrohr erzeugt. Das erfindungsgemäße Sootrohr zeichnet sich durch den beschriebenen radialen Dichteverlauf über der Sootwandung aus. Dieser Dichteverlauf trägt dazu bei, dass durch Verglasen mit vorgeschalteter Dehydratationsbehandlung in chlorhaltiger Atmosphäre ein Quarzglasrohr mit homogenem Brechungsindexverlauf über der Rohrwandung erhalten wird.

Eine mögliche Erklärung für diesen Effekt besteht darin, dass der beschriebene inhomogene Dichteverlauf dazu beiträgt, eine lokal unterschiedliche Einwirkung von Chlor während der Dehydratationsbehandlung zu vermeiden oder diese zu kompensieren.

Wesentlich ist, dass die Dichte innerhalb des Übergangsbereichs von innen nach außen abnimmt. Der Übergangsbereich erstreckt sich im Idealfall über die gesamte Sootwandung, wobei in dem Fall der Innenbereich an der inneren freien Oberfläche, und der Außenbereich an der äußeren freien Oberfläche des Sootrohres endet. Der gewünschte technische Erfolg stellt sich aber – wenn auch in vermindertem Maße – auch ein, wenn der Innenbereich erst in einem Abstand von der Innenwandung der rohrförmigen Sootwandung und/oder der Außenbereich in einem Abstand vom Außenmantel beginnt. Der dazwischen liegende Übergangsbereich macht aber mindestens 70% der Stärke der Sootwandung aus. Den Anforderungen nicht genügende Oberflächenbereiche des Sootrohres können im übrigen nach dem Verglasen relativ leicht entfernt werden.

Beim Einsatz von Sootrohren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Quarzglasrohren wird deren radiale Brechungsindexverteilung durch die Einwirkung von Chlor infolge einer vorgeschalteten Dehydratationsbehandlung beeinträchtigt. Das erfindungsgemäße Sootrohr zeichnet sich hingegen dadurch aus, dass es die Einstellung eines homogenen Verlaufs des Brechungsindex über der Wandung der verglasten Quarzglasrohres erleichtert, auch wenn es einer Dehydratationsbehandlung durch Erhitzen in chlorhaltiger Atmosphäre unterzogen wird. Die Wirkungen des Chlors werden durch die oben erläuterte zwischenzeitliche Ausbildung eines vorgegebenen Dichteverlaufs im Übergangsbereich eliminiert oder kompensiert, so dass unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Sootrohres ein Quarzglasrohr mit dem vorgegebenen homogenen Brechzahlverlauf und gleichzeitig geringem Hydroxylgruppengehalt bereitgestellt werden kann. Vorteilhafte Ausführungsformen des Sootrohres sind in den Unteransprüchen angegeben. Auf die näheren Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren – auch im Zusammenhang mit der radialen Ausdehnung des Übergangsbereichs und des Dichteverlaufs zwischen Innenbereich und Außenbereich – wird hingewiesen.

Das verglaste rohrförmige Sootrohr kann als sogenanntes „Jacketrohr" zur Ummantelung eines Kernstabs einer Vorform eingesetzt werden.

Wegen seines homogenen radialen Brechungsindex-Verlaufs wird das Sootrohr erfindungsgemäß jedoch insbesondere zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt, indem das Halbzeug verglast, unter Bildung eines Substratrohres elongiert, und an der Innenwandung des Substratrohres Kernmaterial mittels eines MCVD-Verfahrens oder mittels eines PCVD-Verfahrens abgeschieden wird.

Nach dem Verglasen und Elongieren weist das Substratrohr eine vorgegebene homogene Brechungsindexverteilung über der Rohrwandung auf. Das so hergestellte Substratrohr ist daher für die Herstellung von Vorformen, bei denen es auf definierte Brechzahl-Profile ankommt, besonders gut geeignet.

Eine weitere vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Sootrohres besteht darin, diese nach der Dehydratationsbehandlung und dem Verglasen als Mantelmaterial zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern einzusetzen, indem ein sogenannter Kernglasstab bereitgestellt und von dem Quarzglasrohr überfangen wird. Der Hydroxylgruppengehalt muss hierbei gering sein. Dies wird erreicht, indem das poröse Sootrohr einem Heißchlorierverfahren unterworfen wird. Darüber hinaus ist die Einhaltung eines möglichst homogenen Brechzahlverlaufs erforderlich. Dies wird – wie oben ausgeführt – beim erfindungsgemäßen Sootrohr durch die zwischenzeitliche Ausbildung eines vorgegebenen Dichteverlaufs im Übergangsbereich und einer nachfolgenden Dehydratationsbehandlung erreicht, so dass aus dem Sootrohr ein Quarzglasrohr mit dem vorgegebenen Brechzahlverlauf und gleichzeitig geringem Hydroxylgruppengehalt erhalten wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen
1 ein radiales Dichteprofil über der Wandung eines erfindungsgemäßen porösen SiO₂-Sootrohres vor dem Verglasen,
2 ein Brechzahl-Profil, gemessen an einem Quarzglasrohr, das durch Verglasen und Elongieren aus dem SiO₂-Sootrohr gemäß 1 erhalten worden ist,
3 ein radiales Dichteprofil über der Wandung eines porösen SiO₂-Sootrohres nach dem Stand der Technik vor dem Verglasen (Vergleichsbeispiel), und
4 ein Brechzahl-Profil, gemessen an einem Quarzglasrohr, das durch Verglasen und Elongieren des SiO₂-Sootrohres gemäß 3 erhalten worden ist.
In den 1 und 3 sind jeweils radiale Dichte-Profile über der Wandung eines porösen Sootrohres im Verfahrensstadium vor der Dehydratationsbehandlung und vor dem Verglasen dargestellt. Auf der y-Achse ist die spezifische Dichte des Sootrohres in relativen Einheiten (in %, bezogen auf die theoretische Dichte von Quarzglas) aufgetragen. Die x-Achse bezeichnet den Radius in relativen Einheiten, bezogen auf die Gesamtwandstärke des Sootrohres. Der Radius „0" entspricht der Innenwandung des Sootrohres; der Radius „100" der Außenwandung. Die vermessenen Sootrohre hatten dabei jeweils einen Innendurchmesser von ca. 50 mm und einen Außendurchmesser von ca. 320 mm.
In den 2 und 4 sind jeweils radiale Brechzahl-Profile eines Quarzglasrohres im Verfahrensstadium nach der Dehydratationsbehandlung und nach dem Verglasen dargestellt. Auf der y-Achse ist die Brechungsindex-Differenz „Δn" zu undotiertem Quarzglas aufgetragen. Die x-Achse bezeichnet hier die radiale Position „P" in Millimeter über das gesamte Quarzglasrohr gesehen. Die Position „P = 0" bezeichnet jeweils die Mittelachse der Innenbohrung.
Beispiel:
Bei dem radialen Dichte-Profil gemäß 1 nimmt die Sootdichte von innen nach außen in einem Innenbereich 1 zunächst zu, und dann ausgehend von einem Maximum 4 von etwa 33% in einem Übergangsbereich 2 von innen nach außen allmählich ab, und erreicht im Bereich des Außenmantels 3 einen Wert um 24%. Innerhalb des Übergangsbereichs 2 nimmt die Sootdichte somit um insgesamt 9% ab. Der Übergangsbereich 2 macht den weitaus größten Teil der Wandstärke des Sootrohres aus. Er beginnt angrenzend an den Innenbereich 1 bei dem Sootdichte-Maximum 4 in einem Abstand von etwa 15 mm von der Innenwandung 5 und erstreckt sich radial über eine Länge von etwa 120 mm nach außen.
Das Sootrohr wird nach dem Abscheideprozess einer Dehydratationsbehandlung unterzogen und anschließend unter Bildung eines Quarzglasrohres verglast. 2 zeigt das danach an dem Quarzglasrohr gemessene Brechzahl-Profil. Die an die Innenbohrung 21 angrenzende Wandung 22 des Quarzglasrohres zeigt gegenüber reinem Quarzglas eine Brechungzahlerhöhung von etwa Δn = 0,0004. Es fällt auf, dass der Brechungsindex-Verlauf über die Wandung 22 des Quarzglasrohres von der Innenbohrung 21 bis zur Außenwandung 23 im wesentlichen homogen ist.
Nachfolgend wird die Herstellung eines Sootrohres mit dem in 1 dargestellten Dichte-Profil und eines Quarzglasrohres mit dem in 2 gezeigten Brechzahl-Profil beispielhaft erläutert:
Durch Flammenhydrolyse von SiCl₄ werden in der Brennerflamme eines Abscheidebrenners SiO₂ -Sootpartikel gebildet und diese auf einem um seine Längsachse rotierenden Trägerstab unter Bildung eines Sootkörpers schichtweise abgeschieden. Zur Erzeugung des in 1 gezeigten radlaien Dichteverlaufs innerhalb des Sootkörpers wird bei der Abscheidung der ersten Soot-Lagen eine vergleichsweise hohe Oberflächentemperatur und damit ein Sootbereich mit vergleichsweise hoher Dichte von etwa 30% erzeugt. Die Soot-Dichte wird daraufhin noch weiter allmählich erhöht, bis sie in dem oben genannten Abstand von etwa 15 mm zur Innenwandung 5 das Maximum 4 bei etwa 32% erreicht. Hier beginnt der „Übergangsbereich" 2 im Sinne der vorliegenden Erfindung. Bei der Abscheidung der nachfolgenden Soot-Lagen wird die Oberflächentemperatur des sich bildenden Sootkörpers kontinuierlich abgesenkt und damit die Soot-Dichte verringert. Hierzu wird die Rotationsgeschwindigkeit des Trägerstabs kontinuierlich verringert, und zwar derart, dass die Umfangsgeschwindigkeit der sich vergrößernden Sootkörper-Oberfläche konstant bleibt. Wegen der Zunahme des Sootkörper-Umfangs verringert sich die Oberflächentemperatur bei konstanter Temperatur der Brennerflamme. Dadurch ergibt sich ein der in 1 dargestellte radiale Dichtegradient. Zur Erzeugung eines steileren oder flacheren Gradienten wird die Temperatur der Flamme des Abscheidebrenners durch Veränderung der Zufuhrraten der Brenngase Wasserstoff und Sauerstoff verändert.
Nach Beendigung des Abscheideverfahrens und Entfernen des Trägerstabs wird das Sootrohr mit dem in 1 dargestellten Dichte-Profil erhalten. Aus dem Sootrohr wird ein Quarzglasrohr anhand des nachfolgend beispielhaft erläuterten Verfahrens hergestellt:
Das nach oben näher erläuterten Verfahrensschritten erhaltene Sootrohr wird zum Entfernen der herstellungsbedingt eingebrachten Hydroxylgruppen einer Dehydratationsbehandlung unterworfen. Hierzu wird das Sootrohr in vertikaler Ausrichtung in einen Dehydratationsofen eingebracht und zunächst bei einer Temperatur um 900 °C in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt. Die Behandlungsdauer beträgt etwa acht Stunden. Dadurch wird eine Hydroxylgruppenkonzentration von weniger als 100 Gew.-ppb erhalten.
Durch die hohe Dichte im Innenbereich 1 und den Dichteverlauf im Übergangsbereich 2 werden die Wirkungen des bei der Dehydratationsbehandlung einwirkenden Chlors auf das poröse Sootmaterial kompensiert, so dass unter Einsatz des erfindungsgemäßen Sootrohres ein Quarzglasrohr mit dem vorgegebenen homogenen Brechzahlverlauf gemäß 2 erhalten werden kann.
Zur Herstellung des Quarzglasrohres mit dem in 2 gezeigten Brechzahl-Profil wird das Sootrohr in einem vertikal orientierten Verglasungsofen bei einer Temperatur im Bereich um 1300 °C gesintert, indem es einer ringförmigen Heizzone zugeführt und darin zonenweise erhitzt wird. Dabei wandert eine Schmelzfront von außen nach innen. Anschließend wird das gesinterte (verglaste) Rohr auf einen Außendurchmesser von 46 mm und einem Innendurchmesser von 17 mm elongiert.
Neben einer homogenen Brechungsindexverteilung zeigt das so erhaltene Quarzglasrohr eine geringe Hydroxylgruppenkonzentration, die einen Einsatz im kernnahen Bereich einer Vorform für optische Fasern ermöglicht.
Im Vergleich dazu zeigen die 3 und 4 ein radiales Dichteprofil bei einem Sootrohr nach dem Stand der Technik und ein Brechzahl-Profil eines daraus hergestellten Quarzglasrohres.
Vergleichsbeispiel:
3 zeigt das radiale Dichte-Profil eines nach dem bisherigen Verfahren hergestellten Sootrohres. Abgesehen von einem Maximum 32 in einem Abstand von etwa 15 mm von der Innenwandung 3 mit einer Soot-Dichte von etwa 40,5 % ist die Dichte über die Wandstärke des Sootrohres im wesentlichen konstant und liegt im Mittel bei etwa 28 % (gestrichelte Linie 33).
Das Sootrohr wird nach dem Abscheideprozess der gleichen Dehydratationsbehandlung unterzogen, wie anhand des obigen Beispiels erläutert, und anschließenden verglast und elongiert, wobei ein Quarzglasrohr mit einem Außendurchmesser von 64 mm und einem Innendurchmesser von 22 mm erhalten wurde.
An dem Quarzglasrohr wurde das Brechzahl-Profil gemessen. Das Ergebnis zeigt 4. Innerhalb der an die Innenbohrung 41 angrenzenden Wandung 42 des Quarzglasrohres fällt der Brechungsindex von innen nach außen deutlich ab. Von einem Maximalwert von etwa + 0,0005 im Bereich der Innenwandung 41 sinkt der Brechungsindex um mehr als 30 % auf weniger als + 0,00035 im Bereich der Außenwandung 43. Durch Verglasen und Elongieren des Sootrohres nach dem Stand der Technik wurde somit ein Quarzglasrohr mit radial inhomogener Brechungsindexverteilung erhalten.
Das erfindungsgemäße Quarzglasrohr wird vorzugsweise als Substratrohr für die Innenabscheidung von Kernmaterialschichten nach dem MCVD-Verfahren eingesetzt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus Quarzglas durch Flammenhydrolyse einer Silizium enthaltenden Ausgangskomponente, umfassend Verfahrensschritte, in denen die Ausgangskomponente einem Abscheidebrenner zugeführt, mittels diesem SiO₂ enthaltende Partikel erzeugt, die Partikel unter Bildung eines Sootrohres mit poröser Sootwandung mit vorgegebenem radialen Soot-Dichteprofil auf einem um seine Längsachse rotierenden Träger abgeschieden werden, das Sootrohr in einer chlorhaltigen Atmosphäre behandelt, und das behandelte Sootrohr verglast wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Innenbereich (1) der Sootwandung eine höhere Dichte (4) von mindestens 25% der Dichte von Quarzglas, in einem Außenbereich (3) der Sootwandung eine geringere Dichte, und in einem an den Innenbereich (1) anschließenden Übergangsbereich (2) eine zum Außenbereich (3) hin abnehmende Dichte eingestellt wird, mit der Maßgabe, dass sich der Übergangsbereich (2) über mindestens 70 % der Stärke der Sootwandung erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der höheren Dichte (4) im Innenbereich (1) und der geringeren Dichte im Außenbereich (3) eine Differenz im Bereich zwischen 1% und 15%, vorzugsweise im Bereich zwischen 4% und 12%, der Dichte von Quarzglas eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenbereich (1) eine Dichte zwischen 25% und 35%, vorzugsweise zwischen 28% und 32%, und im Außenbereich (3) eine Dichte zwischen 20% und 27%, vorzugsweise zwischen 20% und 24%, der Dichte von Quarzglas eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sootrohr verglast wird, indem es unter Ausbildung einer nach innen wandernden Schmelzfront von außen erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (2) eine kontinuierlich abnehmende Dichte eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (2) eine im wesentlichen linear abnehmende Dichte eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Übergangsbereich (2) von innen nach außen abnehmende Dichte durch eine Verringerung der Oberflächentemperatur des sich bildenden Sootrohres erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich maximal 30 mm, vorzugsweise maximal 20 mm von der Innenwandung (5) des Sootrohres entfernt ist.
Rohrförmiges Halbzeug aus Quarzglas mit einer porösen SiO₂-Sootwandung mit vorgegebenem radialen Dichteprofil, dadurch gekennzeichnet, dass die Sootwandung in einem Innenbereich (1) eine höhere Dichte (4) von mindestens 25% der Dichte von Quarzglas, in einem Außenbereich (3) eine geringere Dichte, und in einem an den Innenbereich (1) anschließenden Übergangsbereich (2) eine zum Außenbereich (3) hin abnehmende Dichte aufweist, mit der Maßgabe, dass sich der Übergangsbereich (2) über mindestens 70% der Stärke der Sootwandung erstreckt.
Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der höheren Dichte (4) und der geringeren Dichte zwischen 1% und 15%, vorzugsweise zwischen 4% und 12% der Dichte von Quarzglas liegt.
Halbzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sootwandung im Innenbereich (1) eine Dichte zwischen 25% und 35%, vorzugsweise zwischen 28% und 32%, und im Außenbereich (3) eine Dichte zwischen 20% und 27%, vorzugsweise zwischen 20% und 24% der Dichte von Quarzglas aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (2) eine kontinuierlich abnehmende Dichte aufweist.
Halbzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (2) eine im wesentlichen linear abnehmende Dichte aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich (1) von der Innenwandung (5) des rohrförmigen Halbzeug maximal 30 mm, vorzugsweise maximal 20 mm, entfernt ist.
Verwendung des rohrförmigen Halbzeugs nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern, indem das Halbzeug verglast, unter Bildung eines Substratrohres elongiert, und an der Innenwandung des Substratrohres Kernmaterial mittels eines MCVD-Verfahrens oder mittels eines PCVD-Verfahrens abgeschieden wird.