DE10155134C1 - Verfahren für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser und Vorform für eine optische Faser - Google Patents
Verfahren für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser und Vorform für eine optische FaserInfo
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Abstract
Bei einem bekannten Verfahren für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser wird ein Kernzylinder erzeugt, der eine Kernglasschicht mit einem höheren Brechungsindex "n¶K¶" und einem Außendruchmesser "d¶K¶" aufweist, die von einer ersten Mantelglasschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex "n¶M1¶" und einem Außendurchmesser "d¶M1¶" umgeben ist, wobei auf den Kernzylinder eine zweite Mantelgeschwindigkeit aufgebracht wird, indem SiO¶2¶-Partikel durch Erhitzen einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in einer sauerstoffhaltigen Reaktionszone erzeugt und als poröse SiO¶2¶-Sootschicht auf der ersten Mantelglasschicht abgeschieden werden, wobei die SiO¶2¶-Sootschicht anschließend unter Bildung der zweiten Mantelglasschicht verglast wird. Um hiervon ausgehend ein kostengünstiges Verfahren für die Herstellung einer optischen Faser mit geringer optischer Dämpfung anzugeben und eine entsprechende Vorform bereitzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Kernzylinder (2; 3) einzusetzen, bei dem das Verhältnis von "d¶M1¶" zu "d¶K¶" zwischen 1,1 und 2,2 liegt, und die poröse SiO¶2¶-Sootschicht durch Erhitzen der siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in einer wasserstofffreien Reaktionszone abzuscheiden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung einer Vorform
für eine optische Faser durch Erzeugen eines Kernzylinders, der eine
Kernglasschicht mit einem höheren Brechungsindex "nK" und einem
Außendurchmesser "dK" aufweist, die von einer ersten Mantelglasschicht mit
einem niedrigeren Brechungsindex "nM1" und einem Außendurchmesser "dM1"
umgeben ist, und Aufbringen einer zweiten Mantelglasschicht auf den
Kernzylinder, indem SiO2-Partikel durch Erhitzen einer siliziumhaltigen
Ausgangsverbindung in einer sauerstoffhaltigen Reaktionszone erzeugt und als
poröse SiO2-Sootschicht auf der ersten Mantelglasschicht abgeschieden werden,
und Verglasen der SiO2-Sootschicht unter Bildung der zweiten Mantelglasschicht.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorform für die Herstellung einer optischen
Faser, die eine Kernglasschicht mit höherem Brechungsindex "nK" und einem
Außendurchmesser "dK" aufweist, die umhüllt ist von einer ersten
Mantelglasschicht mit niedrigerem Brechungsindex "nM1" und einem
Außendurchmesser "dM1" sowie von einer zweiten Mantelglasschicht.
Der Einsatz von Lichtleitfasern zur Datenübertragung hat in den letzten 20 Jahren
an wirtschaftlicher Bedeutung gewonnen. Nachdem die Lichtleitfasern zunächst
hinsichtlich ihrer optischen Dämpfung und der Faserfestigkeit verbessert wurden,
ist nunmehr die Kostensenkung zentrales Thema. Mögliche Ansatzpunkte hierfür
sind die Erhöhung der Übertragungskapazität pro Lichtleitfaser und die Senkung
der Herstellkosten der Lichtleitfasern. Die Herstellung von sogenannten Single-
Mode-Lichtleitfaservorformen für kommerzielle Anwendungen erfolgt im
Allgemeinen nach den bekannten OVD-(Outside-Vapor-Deposition), MCVD-
(Modified-Chemical-Vapor-Deposition), PCVD-(Plasma-Chemical-Vapor-
Deposition) und VAD-(Vapor-Axial-Deposition)-Verfahren. Allen Verfahren ist
gemein, dass zunächst ein Kernzylinder hergestellt wird, der den Kern und einen
Teil des Mantels der späteren Single-Mode-Lichtleitfaser umfasst. Auf den
Kernzylinder wird weiteres Quarzglas aufgebracht, das als "Jacketmaterial"
bezeichnet wird. Die Qualität dieses Jacketmaterials ist für die mechanische
Festigkeit der Lichtleitfaser von Bedeutung, während der Einfluß auf die optischen
Eigenschaften bisher nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Ein Verfahren und eine Vorform der eingangs angegebenen Gattung sind aus der
US-A 5,838,866 bekannt. Darin ist die Herstellung einer Quarzglas-Vorform für
eine Single-Mode-Lichtleitfaser beschrieben, wobei in einem ersten
Verfahrensschritt ein als "Kern-Vorform" bezeichnetes Bauteil mit Kern-
Mantelstruktur nach dem sogenannten OVD-Verfahren hergestellt wird. Die Kern-
Vorform besteht aus einer mit Germaniumdioxid dotierten SiO2-Kernglasschicht,
die von einer inneren SiO2-Mantelglasschicht umhüllt ist. Die jeweiligen
Schichtdicken sind so ausgelegt, dass nach dem Kollabieren der Innenbohrung
das Verhältnis des Durchmessers "dK" der Kernglasschicht und des
Außendurchmessers der ersten Mantelglasschicht "dM1" bei 2,39 liegt. Durch
Abscheiden einer weiteren SiO2-Sootschicht zur Bildung einer zweiten, äußeren
Mantelglasschicht wird die endgültige Vorform erhalten.
Der der Kern-Vorform zugeordnete und an die Kernglasschicht unmittelbar
angrenzende Teil des Mantels wird im folgenden als "erste Mantelglasschicht"
bezeichnet. Die erste Mantelglasschicht trägt wesentlich zur Lichtführung bei und
hat daher einen deutlichen Einfluss auf die optischen Eigenschaften des
Lichtleiters. An die erste Mantelglasschicht sind deshalb hinsichtlich Reinheit und
Homogenität vergleichbare Maßstäbe anzulegen wie bei der Kernglasschicht, so
dass die Herstellung der ersten Mantelglasschicht dementsprechend aufwendig
ist.
Bei dem bekannten Verfahren wird für die Abscheidung der SiO2-Sootschicht zur
Bildung der zweiten Mantelglasschicht auf dem Kernzylinder ein Knallgasbrenner
eingesetzt. Dadurch kommt es zu einem Einbau von OH-Gruppen in die erste
Mantelglasschicht. Diese OH-Gruppen sind im Quarzglas der ersten
Mantelglasschicht fest gebunden und lassen sich durch die anschließende
Behandlung der Soot-Schicht in chlorhaltiger Atmosphäre nicht entfernen. Die
nach dem bekannten Verfahren hergestellte Vorform zeigt daher im Bereich der
Grenzfläche zwischen erster und zweiter Mantelglasschicht üblicherweise eine
deutlich erhöhte OH-Konzentration.
Einen typischen Verlauf der OH-Konzentration über den Durchmesser einer nach
dem bekannten OVD-Verfahren hergestellten Vorform ist in Fig. 3 schematisch
dargestellt. Auf der y-Achse des Diagramms ist der OH-Gehalt und auf der x-
Achse der Vorformdurchmesser aufgetragen. Die Kernglasschicht 31 und der
innere Bereich der ersten Mantelglasschicht 32 zeigen einen geringen OH-Gehalt.
Der Bereich um die Grenzfläche 35 zwischen der ersten Mantelglasschicht 32 und
der zweiten Mantelglasschicht 33 ist durch ein Maximum 34 der OH-Konzentration
deutlich erkennbar.
OH-Gruppen zeigen im infraroten Spektralbereich eine besonders starke
Absorptionsbande. Bereits geringe OH-Gehalte im lichtführenden Bereich einer
Single-Mode-Faser können sich daher auf deren optische Dämpfung bei den
üblichen Übertragungswellenlängen auswirken. Um den Einfluß des in Fig. 3
gezeigten Maximums 34 der OH-Konzentration auf die optische Dämpfung gering
zu halten, liegt bei den bekannten OVD-Vorformen die Grenzfläche 35 zwischen
der ersten Mantelglasschicht 32 und der zweiten Mantelglasschicht 33 weitab von
der Kernglasschicht 31. Mit anderen Worten, der Außendurchmesser "dM1" der
ersten Mantelglasschicht 32 ist relativ groß; bei der Vorform gemäß Fig. 3 beträgt
der Außendurchmesser "dM1" der ersten Mantelglasschicht 32 das 2,39-fache des
Durchmessers "dK" der Kernglasschicht 31.
Eine Verringerung des Außendurchmessers "dM1" der ersten Mantelglasschicht 32
würde das Maximum 34 der OH-Konzentration näher an die Kernglasschicht 31
heranbringen und sich daher stärker auf die Dämpfung der Faser auswirken. Es ist
daher bei der bekannten Vorform nicht möglich, den Anteil der aufwendig
herzustellenden, inneren Mantelglasschicht 32 ohne Inkaufnahme einer höheren
optischen Dämpfung zu verringern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren für
die Herstellung einer optischen Faser mit geringer optischer Dämpfung anzugeben
und eine entsprechende Vorform bereitzustellen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs
genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kernzylinder
eingesetzt wird, bei dem das Verhältnis von "dM1" zu "dK" zwischen 1,1 und 2,2
liegt, und dass die poröse SiO2-Sootschicht durch Erhitzen der siliziumhaltigen
Ausgangsverbindung in einer wasserstofffreien Reaktionszone abgeschieden wird.
Im allgemeinen wird im Rahmen der Herstellung einer optischen Vorform eine
SiO2-Sootschicht durch Flammhydrolyse siliziumhaltiger Ausgangsverbindungen in
wasserstoffhaltiger Atmosphäre erzeugt. Dabei werden jedoch OH-Gruppen in die
SiO2-Sootschicht eingebaut. Die Porosität der SiO2-Sootschicht ermöglicht jedoch
ein Entfernen der darin enthaltenen OH-Gruppen durch Behandlung in
trocknender Atmosphäre. Demgegenüber erfolgt beim erfindungsgemäßen
Verfahren die Bildung der SiO2-Partikel in einer wasserstofffreien Reaktionszone.
Die Bildung von Wasser oder von OH-Gruppen wird dabei vermieden, so dass von
vornherein eine im wesentlichen OH-freie SiO2-Sootschicht erhalten wird. Das
Trocknen einer derartigen SiO2-Sootschicht ist daher wesentlich leichter.
Darüber hinaus werden durch das Abscheiden der SiO2-Sootschicht in einer
wasserstofffreien Reaktionszone keine oder wenige OH-Gruppen in die darunter
liegende, bereits verglaste erste Mantelglasschicht eingebracht. Dieser Aspekt des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders wichtig, denn in der verglasten
ersten Mantelglasschicht enthaltene OH-Gruppen können beim anschließenden
Trocknen der SiO2-Sootschicht nicht entfernt werden.
Zur Lösung der oben genannten technischen Aufgabe trägt außerdem wesentlich
bei, dass ein Kernzylinder eingesetzt wird, bei dem das Durchmesserverhältnis
"dM1"/"dK" zwischen 1 und 2,2 liegt. Der Außendurchmesser der ersten
Mantelglasschicht "dM1" beträgt somit weniger als das 2,2-fache des Durchmessers
der Kernglasschicht "dK". Das Durchmesserverhältnis "dM1"/"dK" bezieht sich auf
einen Kernzylinder ohne Innenbohrung. Bei einem rohrförmigen Kernzylinder sind
die Durchmesser der jeweiligen Schichten nach dem Kollabieren der
Innenbohrung maßgebend. Der Einfachheit halber beziehen sich die folgenden
Erläuterungen auf einen stabförmigen Kernzylinder.
Der Volumenanteil der aufwendig herzustellenden ersten Mantelglasschicht ist zu
Gunsten des übrigen, weitaus kostengünstiger herstellbaren Mantelmaterials
reduziert. Diese Reduzierung wird erst durch die Kombination der oben erläuterten
Maßnahmen ermöglicht, indem diese dazu beitragen, dass in der zweiten
Mantelglasschicht sowie im Bereich um die Grenzfläche zwischen erster und
zweiter Mantelglasschicht ein möglichst geringer OH-Gehalt erhalten wird. Denn
erst ein geringer OH-Gehalt in diesem grenzflächennahen Bereich erlaubt es, den
Außendurchmesser der ersten Mantelglasschicht so zu reduzieren, dass das
Durchmesserverhältnis "dM1"/"dK" kleiner als 2,2 gewählt werden kann, ohne dass
sich der OH-Gehalt im grenzflächennahen Bereich auf die optische Dämpfung der
Faser wesentlich auswirkt. Somit ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren,
eine optische Faser mit geringer Dämpfung kostengünstig herzustellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ausschließlich die Herstellung von Standard-
Single-Mode-Fasern und eine Vorform dafür. Bei den Standard-Single-Mode-
Fasern handelt es sich um einfache Stufenindexfasern. Die in den Fasern geführte
Lichtwelle erstreckt sich im wesentlichen über den Kernbereich und den inneren
Mantelbereich. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Minimierung des
hochwertigen Quarzglases für den inneren Mantelbereich zu Gunsten von
preiswerterem Quarzglas. Die Erfindung bezieht sich nicht auf sogenannte
"dispersionsverschobene Fasern" oder "dispersionsgeglättete Fasern". Derartige
Fasern weisen komplexe Brechzahlprofile mit einer radialen Abfolge mehrerer
Schichten unterschiedlicher Brechzahl auf. Alle diese Schichten wirken an der
Lichtführung mit, so dass dafür hochwertiges Quarzglas erforderlich ist, das nicht
ohne Qualitätsverlust zu Gunsten von preiswerterem Quarzglases minimiert
werden kann.
Die wasserstofffreie Reaktionszone wird vorzugsweise durch ein wasserstofffreies
Plasma erzeugt. Das wasserstofffreie Plasma gewährleistet eine Bildung der SiO2-
Partikel und Abscheidung der SiO2-Schichten unter weitgehendem Ausschluss von
Wasser bzw. von OH-Gruppen.
In dieser Hinsicht hat sich auch eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
bewährt, bei der die wasserstofffreie Reaktionszone mittels eines Lasers erzeugt
wird.
Eine weitere Verringerung des OH-Gehalts wird erreicht, wenn das Verglasen der
SiO2-Sootschicht in einem elektrisch beheizten Ofen erfolgt. In einem elektrisch
beheizten Ofen ist problemlos eine wasserstofffreie Atmosphäre einstellbar. Eine
Reaktion der SiO2-Sootschicht bzw. ersten und zweiten Mantelglasschicht mit
einem wasserstoffhaltigen Gas und der damit einhergehende Einbau von
Hydroxylgruppen in das Quarzglas wird so vermieden. Darüber hinaus ermöglicht
ein elektrisch beheizter Ofen - im Vergleich zu einer Plasmaflamme - ein
Temperaturprofil mit einem relativ geringen Gradienten über der Dicke der zu
verglasenden, porösen SiO2-Sootschicht. Dadurch können auch dicke SiO2-
Sootschichten verglast werden, ohne dass sich über die Schichtdicke ein
stofflicher Gradient oder ein Dichtegradient einstellt. Bei dem elektrisch beheizten
Ofen im Sinne der Erfindung erfolgt die Beheizung durch stromdurchflossene
Heizelemente. Der Stromfluss durch die Heizelemente kann direkt oder induktiv
erzeugt werden, wie bei den sogenannten MF-(Mittelfrequenz)-Öfen oder
Induktionsöfen.
Erfindungsgemäß wird ein Anteil der aufwendig herstellbaren ersten
Mantelglasschicht am Gesamtvolumen der optischen Faser durch preiswerteres
Mantelmaterial ersetzt. Der durch das preiswertere Mantelmaterial ersetzte Anteil
ist umso größer, je kleiner das Durchmesserverhältnis "dM1" zu "dK" im Kernzylinder
ist. Im Hinblick hierauf wird ein Kernzylinder mit einem Verhältnis von "dM1" zu "dK"
von kleiner als 1,7 bevorzugt eingesetzt. Bevorzugt wird der Kernzylinder nach
dem Außenabscheideverfahren (OVD) hergestellt, denn durch das OVD-Verfahren
ist ein Kernzylinder mit kleinem Durchmesserverhältnis "dM1"/"dK" besonders
einfach und kostengünstig herstellbar.
Vorteilhafterweise wird die zweite Mantelglasschicht von mindestens einer
weiteren, dritten Mantelglasschicht umgeben, wobei die zweite Mantelglasschicht
mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser im Bereich
zwischen 1,2 und 3 erzeugt wird. Mittels der weiteren Mantelglasschicht (oder den
weiteren Mantelglasschichten) wird zusätzliches Quarzglas zur Ausbildung des
Mantels bereitgestellt. Die dritte und jede weitere Mantelglasschicht hat auf die
Lichtführung der Faser keinen wesentlichen Einfluss, so dass die Anforderungen
an die optischen Eigenschaften vergleichsweise gering sind. Das dafür benötigte
Quarzglas ist daher besonders kostengünstig herstellbar. Aus diesem Grunde wird
die zweite Mantelglasschicht so dünn wie möglich, jedoch so dick wie nötig
ausgeführt. Im Hinblick hierauf wird eine Mantelglasschicht bevorzugt, bei der das
Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser mindestens 1,2 und
vorzugsweise mindestens 1,8 und weniger als 3 beträgt. Das Verhältnis von
Außendurchmesser zu Innendurchmesser der Mantelglasschicht bezieht sich auf
einen Kernzylinder ohne Innenbohrung. Bei einem rohrförmigen Kernzylinder sind
für die Ermittlung des genannten Durchmesserverhältnisses der
Außendurchmesser und der Innendurchmesser der Mantelglasschicht nach dem
Kollabieren der Innenbohrung maßgebend.
Das Ummanteln mit der dritten Mantelglasschicht ergibt im einfachsten Fall eine
Vorform, aus der anschließend eine optische Faser gezogen wird. Alternativ dazu
kann die dritte Mantelglasschicht (und weitere Mantelglasschichten) in Form eines
Quarzglasrohres vorliegen, das in einer koaxialen Anordnung mit dem
ummantelten Kernzylinder direkt zu einer Faser gezogen wird. Die drille
Mantelglasschicht kann in Form eines Quarzglas-Hohlzylinders bereitgestellt
gestellt werden, der auf den ummantelten Kernzylinder aufkollabiert wird, oder in
Form eines Hohlzylinders aus porösem SiO2-Soot, der auf die den Kernzylinder
umhüllende, zweite Mantelglasschicht aufgeschrumpft wird. In einer ebenfalls
geeigneten Verfahrensvariante wird die dritte Mantelglasschicht durch
Außenabscheidung von SiO2-Soot erzeugt und anschließend verglast.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, eine zweite Mantelglasschicht mit
einem Brechungsindex "nM2" zu erzeugen, für den gilt: "nM2" ≦ "nM1". Bei einem
Brechungsindex "nM2" = "nM1" wird die Lichtführung in der Faser durch die zweite
Mantelglasschicht nicht merklich beeinflußt, während bei einem Brechungsindex
"nM2" < "nM1" der in der zweiten Mantelglasschicht geführte Lichtanteil weiter
reduziert wird, so dass die Anforderungen an die optischen Eigenschaften des
Quarzglases für diese Schicht geringer sind. Dadurch wird Herstellung des
Quarzglases für die zweite Mantelglasschicht vereinfacht und die
Herstellungskosten werden gesenkt.
Besonders bewährt hat sich ein Einsatz einer Mantelglasschicht, die nach dem
Abscheiden mit Fluor dotiert wird. Fluor senkt den Brechungsindex von Quarzglas,
so dass sich mittels einer fluordotierten Mantelglasschicht die Brechungsindex-
Bedingung "nM2" < "nM1" besonders einfach und preiswert einstellen lässt.
Der Einfluss des OH-Gehalts auf die optische Dämpfung ist umso geringer, je
geringer der OH-Gehalt im oberflächennahen Bereich des Kernzylinders und in der
Mantelglasschicht ist. Vorzugsweise wird in der zweiten Mantelglasschicht ein
mittlerer OH-Gehalt von maximal 0,1 Gew.-ppm eingestellt. Dies wird durch einen
niedrigen mittleren OH-Gehalt der SiO2-Sootschicht und ein Verglasen in
wasserstofffreier Atmosphäre erreicht. Der mittlere OH-Gehalt der zweiten
Mantelglasschicht kann durch eine spektroskopische Messung über die
Schichtdicke, und der mittlere OH-Gehalt im grenzflächennahen Bereich durch
eine Differenzmessung spektroskopisch ermittelt werden.
Hinsichtlich der Vorform wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von der
eingangs beschriebenen Vorform erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das
Verhältnis von "dM1" zu "dK" zwischen 1,1 und 2,2 beträgt, und dass die zweite
Mantelglasschicht erhalten wird, indem eine poröse SiO2-Sootschicht durch
Erhitzen einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in einer wasserstofffreien
Reaktionszone auf der ersten Mantelglasschicht abgeschieden und anschließend
verglast wird.
Das Durchmesserverhältnis "dM1"/"dK" liegt bei der erfindungsgemäßen Vorform
zwischen 1 und 2,2. Der Außendurchmesser der ersten Mantelglasschicht "dM1"
beträgt somit weniger als das 2,2-fache des Durchmessers der Kernglasschicht
"dK". Der Volumenanteil der aufwendig herzustellenden ersten Mantelglasschicht
ist zu Gunsten von weitaus kostengünstiger herstellbarem Mantelmaterial
reduziert.
Diese Reduzierung wird dadurch ermöglicht, dass die zweite Mantelglasschicht
erhalten wird, indem eine poröse SiO2-Sootschicht durch Erhitzen einer
siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in einer wasserstofffreien Reaktionszone auf
der ersten Mantelglasschicht abgeschieden und anschließend verglast wird.
Dadurch wird in der zweiten Mantelglasschicht sowie im Bereich um die
Grenzfläche zwischen erster und zweiter Mantelglasschicht ein geringer OH-
Gehalt erhalten. Denn erst ein geringer OH-Gehalt in diesem grenzflächennahen
Bereich erlaubt es, den Außendurchmesser der ersten Mantelglasschicht so zu
reduzieren, dass das Durchmesserverhältnis "dM1"/"dK" kleiner als 2,2 gewählt
werden kann, ohne dass sich der OH-Gehalt im grenzflächennahen Bereich auf
die optische Dämpfung der Faser nachteilig auswirkt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorform ergeben sich aus
den Unteransprüchen. Die Merkmale der Unteransprüche korrespondieren mit
denen der oben bereits erläuterten Verfahrensansprüchen, so dass insoweit auf
diese Erläuterungen verwiesen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer
Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematische Darstellung
im einzelnen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorform zur
Herstellung einer Single-Mode-Faser in einem radialen Schnitt,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Vorform anhand eines Fließdiagramms mit einzelnen
Verfahrensschritten,
Fig. 3 einen typischen Verlauf der OH-Konzentration über den Durchmesser
bei einer nach dem Stand der Technik hergestellten Vorform in einem
Ausschnitt, und
Fig. 4 einen typischen Verlauf der OH-Konzentration über den Durchmesser
einer erfindungsgemäßen Vorform in einem Ausschnitt.
In Fig. 1 ist die Bezugsziffer 1 insgesamt einer Vorform zugeordnet. Die Vorform
1 besteht aus einer Kernglaszone 2, einer ersten Mantelglasschicht 3, einer
zweiten Mantelglasschicht 4 und einer dritten Mantelglasschicht 5.
Die Kernglaszone 2 besteht aus Quarzglas, das homogen mit 5 Gew.-%
Germaniumdioxid dotiert ist. Der Durchmesser "dK" der Kernglaszone 2 beträgt
7 mm. Die erste Mantelglasschicht 3 hat einen Außendurchmesser "dM1" von
13,9 mm. Das Verhältnis der Durchmesser "dM1"/"dK" beträgt somit 1,99. Die
zweite Mantelglasschicht 4 besteht aus undotiertem Quarzglas. Sie hat einen
Außendurchmesser von 26,8 mm. Das Verhältnis von Außendurchmesser und
Innendurchmesser liegt somit in der Mantelglasschicht 4 bei 1,9. Die zweite
Mantelglasschicht 4 ist von der dritten Mantelglasschicht 5 umgeben, die den
größten Volumenanteil der Vorform 1 ausmacht.
Nachfolgend wird anhand den Fig. 1 und 2 das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung der Vorform beispielhaft erläutert.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein
sogenannter Kernstab mittels eines Soot-Abscheideverfahrens (OVD-Verfahren)
durch Flammenhydrolyse von SiCl4 und/oder GeCl4 gebildet, wobei
entsprechende Oxidpartikel auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse
rotierenden Träger abgeschieden werden. Als Träger wird ein Aluminiumoxid-Rohr
mit einem Durchmesser von 5 mm eingesetzt. Mittels eines Abscheidebrenners
wird zunächst die Kernglaszone 2 abgeschieden, indem dem Abscheidebrenner
außer SiCl4 auch GeCl4 zugeführt wird, um die oben angegebene Dotierstoff-
Konzentration der Kernglaszone 2 zu erhalten. Anschließend wird die Zufuhr von
GeCl4 gestoppt und auf der Kernglaszone 2 nach dem gleichen Verfahren die
erste Mantelglasschicht 3 abgeschieden. Das nach Entfernen des Trägers
erhaltene, poröse Quarzglasrohr wird in chlorhaltiger Atmosphäre getrocknet,
anschließend gesintert und zu dem Kernstab kollabiert, wobei das Verhältnis der
Durchmesser "dM1"/"dK" = 1,99 erhalten wird. Der Kernstab weist einen über
seinen radialen Querschnitt homogenen OH-Gehalt von 0,004 Gew.-ppm auf. Die
Herstellung des Kernstabs erfordert große Sorgfalt hinsichtlich Reinheit und
Homogenität der abgeschiedenen Schichten und ist dementsprechend aufwendig
und teuer.
Auf dem Kernstab wird durch Plasma-Außenabscheidung in einer Plasmakammer
eine SiO2-Sootschicht erzeugt. Der Plasmakammer werden hierfür SiCl4 und
Sauerstoff (und im Fall einer hier nicht näher beschriebenen Fluordotierung der
zweiten Mantelglasschicht eine Ausgangsverbindung für diesen Dotierstoff)
zugeführt und auf dem in einer Plasmakammer um seine Längsachse rotierenden
Kernstab SiO2-Partikel schichtweise abgeschieden. Die Umsetzung von SiCl4 im
Plasma zu SiO2 erfolgt in wasserstofffreier Umgebung, so dass auf dem Kernstab
eine poröse, im wesentlichen OH-freie SiO2-Sootschicht mit einer Schichtdicke
von etwa 13 mm abgeschieden wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass beim
Abscheiden der SiO2-Sootschicht aufgrund des wasserstofffreien Plasmas in der
darunter liegenden, bereits verglasten, ersten Mantelglasschicht 3 keine OH-
Gruppen erzeugt werden.
Zur weiteren Reduzierung des OH-Gehalts auf einen Wert von unter 30 Gew.-ppb
wird der so beschichtete Kernstab einer Chlorbehandlung bei erhöhter Temperatur
in einem Induktionsofen unterzogen. Anschließend wird die poröse SiO2-
Sootschicht unter Bildung der zweiten Mantelglasschicht 4 im gleichen Ofen
verglast, wobei sich die Schichtdicke der Sootschicht durch das Verglasen etwa
halbiert. Der mittlere OH-Gehalt der zweiten Mantelglasschicht 4 (über die
Schichtdicke gemittelt) liegt bei 0,01 Gew.-ppm.
Nach dem Verglasen ist die Grenzfläche zwischen erster Mantelglasschicht 3 und
zweiter Mantelglasschicht 4 mit bloßem Auge kaum zu erkennen. An dieser
Grenzfläche wird keine nennenswerte Erhöhung des OH-Gehalts über 0,1 Gew.-
ppm hinaus festgestellt.
Der so erhaltene, ummantelte Kernstab stellt in der späteren Lichtleitfaser den
Faserkern und den zur Lichtführung beitragenden Mantel (das sogenannt
"optische Cladding") dar. Er beinhaltet die homogen mit Germaniumdioxid dotierte
Kernglaszone 2 mit einem Außendurchmesser von 7 mm und mit einem
Brechungsindex "nK", der um ca. 0,005 über dem Brechungsindex von undotiertem
Quarzglas liegt. Die Kernglaszone 2 ist von einem Mantel aus undotiertem
Quarzglas mit einem Brechungsindex "nM1" von typischerweise 1,4585 umgeben.
Der Mantel wird von der ersten Mantelglasschicht 3 und von der zweiten
Mantelglasschicht 4, die den weitaus größten Volumenanteil des Mantels
ausmacht, gebildet.
Zur Fertigstellung der Vorform wird der ummantelte Kernstab zusätzlich mit einem
Überfangrohr aus undotiertem Quarzglas (dem sogenannten "Jacket-Rohr")
überfangen, das die dritte Mantelglasschicht 5 bildet. Die Vorform weist danach
einen Außendurchmesser von 100 mm auf. Die daraus gezogene Faser hat bei
einer Wellenlänge von 1385 nm eine Dämpfung von 0,6 dB/km.
Fig. 4 zeigt schematisch einen typischen Verlauf der OH-Konzentration über den
Durchmesser bei einer Vorform gemäß der Erfindung. Zum Vergleich ist der
Verlauf der OH-Konzentration gemäß Fig. 3 als punktierte Linie eingezeichnet.
Auf der y-Achse des Diagramms ist der OH-Gehalt und auf der x-Achse der
Vorformdurchmesser aufgetragen. Kernglasschicht 41 erste Mantelglasschicht 42
zeigen einen gleichermaßen geringen OH-Gehalt; dieser beträgt gemäß obigem
Ausführungsbeispiel 0,004 Gew.-ppm. Die zweite Mantelglasschicht 43 hat einen
etwas höheren OH-Gehalt (0,01 Gew.-ppm), so dass die Grenzfläche 45 zwischen
der ersten Mantelglasschicht 42 und der zweiten Mantelglasschicht 43 lediglich als
kleine Stufe 44 im Verlauf der OH-Konzentration erkennbar ist. Ein ausgeprägtes
Maximum der OH-Konzentration, wie es die nach dem Stand der Technik
hergestellte Vorform (und damit auch die daraus erhaltene Faser) zeigt, ist bei der
erfindungsgemäßen Vorform nicht vorhanden. Dadurch kann die Grenzfläche 45
nahe an der Kernglasschicht 41 liegen, ohne dass sich dies auf die optische
Dämpfung der aus der Vorform erhaltenen Faser nachteilig auswirkt. Mit anderen
Worten, der Außendurchmesser "dM1" der ersten Mantelglasschicht 42 ist im
Vergleich zu der Vorform gemäß Fig. 3 relativ klein; bei der Vorform gemäß Fig.
4 beträgt der Außendurchmessers "dM1" der ersten Mantelglasschicht 42 lediglich
das 1,99-fache des Durchmessers "dK" der Kernglasschicht 41. Es ist daher
möglich, den Anteil der aufwendig herzustellenden, inneren Mantelglasschicht 42
an der Vorform ohne Inkaufnahme einer höheren optischen Dämpfung zu
verringern.
Näheres zu den im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung relevanten
Verfahren und Vorrichtungen für die Herstellung von synthetischem Quarzglas für
optische Fasern durch CVD-Abscheidung sind aus folgenden Druckschriften zu
entnehmen: In der US-A 5,788,730 wird ein Verfahren und ein Abscheidebrenner
aus Quarzglas mit einer Mitteldüse und mindestens drei Ringspaltdüsen für die
Herstellung eines Sootkörpers mit homogener radialer Dichteverteilung
beschrieben; in der DE-A1 197 25 955 wird der Einsatz eines Brenners für eine
Einspeisung von flüssigem Glasausgangsmaterial gelehrt; und in der DE-A1 195 01 733
wird eine Vorrichtung für die gleichzeitige und gleichmäßige
Gasversorgung einer Vielzahl von Abscheidebrennern unter Einsatz eines
Druckausgleichsgefäßes offenbart. Zur Steigerung der Effizienz der Soot-
Abscheidung wird in der DE-A1 196 29 170 vorgeschlagen, ein elektrostatisches
Feld zwischen Abscheidebrenner und Sootkörper anzulegen; in der DE-A1 196 28 958
und in der DE-A1 198 27 945 werden Maßnahmen für die Homogenisierung
der Soot-Abscheidung bei Einsatz eines oszillierend bewegten Brenner-Arrays
angegeben. Aus der DE-A1 197 51 919 und der DE-A1 196 49 935 sind Verfahren
und Vorrichtungen zur Handhabung des Sootkörpers während und nach dem
Abscheideprozess bekannt; und aus US-A 5,665,132, US-A 5,738,702 und DE-A1 197 36 949
ergeben sich Maßnahmen für die Halterung des Sootkörpers beim
Verglasen. Die Dotierung von Quarzglas mit Fluor und Bor wird in der EP-A 582 070
beschrieben; in der US-A 5,790,736 wird eine Lehre zur Anpassung der
Viskosität von Kern- und Mantelmaterial einer Faser gegeben; und in der DE 198 52 704
geht es um ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser unter
Einsatz dotierter Substratrohre nach dem MCVD-Verfahren. Die Nachbearbeitung
eines verglasten Quarzglas-Hohlzylinders unter Einsatz eines speziellen Bohrers
ist in der US-A 5,643,069 beschrieben. Die US-A 5,785,729 gibt eine Lehre zur
Herstellung großvolumiger Vorformen unter Einsatz der Stab-in-Rohr-Technik; und
die DE-A1 199 15 509 beschreibt einen zur Durchführung dieser Technik
geeigneten Abzug. Gegenstand von EP-A1 767 149 und DE-A1 196 29 169 ist die
Herstellung maßgenauer Quarzglas-Rohre durch ein Vertikalziehverfahren.
Claims (15)
1. Verfahren für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser, durch
Erzeugen eines Kernzylinders, der eine Kernglasschicht mit einem höheren
Brechungsindex "nK" und einem Außendurchmesser "dK" aufweist, die von
einer ersten Mantelglasschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex "nM1"
und einem Außendurchmesser "dM1" umgeben ist, und Aufbringen einer
zweiten Mantelglasschicht auf den Kernzylinder, indem SiO2-Partikel durch
Erhitzen einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in einer
sauerstoffhaltigen Reaktionszone erzeugt und als poröse SiO2-Sootschicht
auf der ersten Mantelglasschicht abgeschieden werden, und Verglasen der
SiO2-Sootschicht unter Bildung der zweiten Mantelglasschicht, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Kernzylinder (2; 3) eingesetzt wird, bei dem das
Verhältnis von "dM1" zu "dK" zwischen 1,1 und 2,2 liegt, und dass die poröse
SiO2-Sootschicht durch Erhitzen der siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in
einer wasserstofffreien Reaktionszone abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die wasserstofffreie
Reaktionszone durch ein wasserstofffreies Plasma erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die wasserstofffreie
Reaktionszone mittels eines Lasers erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verglasen der SiO2-Sootschicht in einem
elektrisch beheizten Ofen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Kernzylinder (2; 3) eingesetzt wird, bei dem das
Verhältnis von "dM1" zu "dK" kleiner als 1,7 ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Mantelglasschicht (4) von mindestens einer
weiteren, dritten Mantelglasschicht (5) umgeben ist, wobei die zweite
Mantelglasschicht (4) mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu
Innendurchmesser im Bereich zwischen 1,2 und 3, vorzugsweise von
mindestens 1,8, erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine zweite Mantelglasschicht (4) mit einem
Brechungsindex "nM2" erzeugt wird, für den gilt: "nM2" ≦ "nM1".
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die SiO2-Sootschicht nach dem Abscheiden mit Fluor
dotiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass in der zweiten Mantelglasschicht (4) ein mittlerer OH-
Gehalt von maximal 0,1 Gew.-ppm eingestellt wird.
10. Vorform für die Herstellung einer optischen Faser, die eine Kernglasschicht
mit höherem Brechungsindex "nK" und einem Außendurchmesser "dK"
aufweist, die umhüllt ist von einer ersten Mantelglasschicht mit niedrigerem
Brechungsindex "nM1" und einem Außendurchmesser "dM1" sowie von einer
zweiten Mantelglasschicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Verhältnis von
"dM1" zu "dK" zwischen 1,1 und 2,2 beträgt, und dass die zweite
Mantelglasschicht (4) erhalten wird, indem eine poröse SiO2-Sootschicht
durch Erhitzen einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung in einer
wasserstofffreien Reaktionszone auf der ersten Mantelglasschicht (3)
abgeschieden und anschließend verglast wird.
11. Vorform nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis
von "dM1" zu "dK" kleiner als 1,7 ist.
12. Vorform nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
zweite Mantelglasschicht (4) von mindestens einer weiteren, dritten
Mantelglasschicht (5) umgeben ist, wobei die zweite Mantelglasschicht (4)
ein Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser im Bereich
zwischen 1,2 und 3, vorzugsweise von mindestens 1,8, aufweist.
13. Vorform nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Mantelglasschicht (4) einen Brechungsindex "nM2" aufweist,
wobei
"nM2" ≦ "nM1" ist.
"nM2" ≦ "nM1" ist.
14. Vorform nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Mantelglasschicht (4) Fluor enthält.
15. Vorform nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Mantelglasschicht (4) einen mittleren OH-
Gehalt von maximal 0,1 Gew.-ppm aufweist.
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