DE102007003889B3

DE102007003889B3 - Quarzglasrohr als Halbzeug für die Vorform- und Faserherstellung, dessen Verwendung sowie Verfahren zur Herstellung des Quarzglasrohres

Info

Publication number: DE102007003889B3
Application number: DE102007003889A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schötz; Karsten Bräuer; Jan Vydra
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-01-20
Also published as: WO2008087132A1; US20100034998A1; US8544299B2; JP5147856B2; JP2010516597A

Abstract

Um ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohres als Halbzeug für die Herstellung optischer Fasern, das eine innere, mit Fluor dotierte Quarzglas-Schicht und eine äußere Quarzglas-Schicht aufweist im Hinblick auf kostengünstigere Herstellung und bessere Maßhaltigkeit des Quarzglasrohres zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlaem ersten Plasma-Abscheideprozess unter Bildung einer Innenschicht mit einer Wandstärke von mindestens 1,5 mm erzeugt wird, wobei im Quarzglas ein Fluorgehalt von mindestens 1,5 Gew.-% eingestellt wird, und dass das Quarzglas der äußeren Schicht in einem zweiten Plasma-Abscheideprozess erzeugt und mittelbar oder unmittelbar auf der Innenschicht unter Bildung eines Verbundrohres abgeschieden wird, und dass das Verbundrohr zu dem Quarzglasrohr elongiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Quarzglasrohr als Halbzeug für die Vorform- und Faserherstellung, das eine innere, mit Fluor dotierte Quarzglas-Schicht und eine äußere Quarzglas-Schicht aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Quarzglasrohres, und dessen Verwendung.
Fluor verringert den Brechungsindex von Quarzglas. Rohre aus fluordotiertem Quarzglas werden daher für die Herstellung von Vorformen für optische Fasern mit vorgegebenem radialem Brechungsindexprofil eingesetzt, beispielsweise in Form sogenannter „Substratrohre" für den MCVD-Prozess (Modified Vapor Deposition) oder als Überfangrohre bei der Stab-in-Rohr-Technik. Die Fluordotierung bewirkt aber auch eine Verringerung der Viskosität des Quarzglases, was bei der Weiterverarbeitung des Halbzeugs zu unerwünschten Verformungen führen kann.
Eine naheliegende Lösung des Problems durch Einsatz dickerer Rohre scheidet in der Regel bereits aufgrund des vorgegebenen radialen Brechungsindexprofils der herzustellenden optischen Faser und aus Kostengründen aus, und erweist sich insbesondere beim MCVD-Prozess auch wegen des schlechten Wärmetransportes von Quarzglas als ungünstig.
Eine andere Lösung des Problems ist in der US 5,090,979 A beschrieben, aus der auch ein Quarzglasrohr und ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt sind. Darin wird ein Substratrohr zum Einsatz in einem MCVD-Verfahren vorgeschlagen, das als Verbundrohr aus einer mit Fluor dotierten Innenschicht und einer äußeren Stützschicht aus Quarzglas ausgebildet ist. Die Stützschicht hat eine höhere Viskosität als die mit Fluor dotierte Innenschicht, so dass sie bei der Weiterverarbeitung des Substratrohres im MCVD-Prozess zu einer insgesamt höheren thermischen Stabilität des Rohres beiträgt. Gemäß dem Ausführungsbei spiel betragen die Dicken von Stützschicht und Innenschicht jeweils 1 mm, wobei die Fluorkonzentration des Quarzglases der Innenschicht 1% beträgt.
Zur Herstellung des Verbundrohres wird vorgeschlagen, ein Rohr aus nicht dotiertem Quarzglas auf ein Rohr aus fluordotiertem Quarzglas aufzukollabieren. Oder umgekehrt, in die Innenbohrung eines Rohres aus undotiertem Quarzglas, ein Rohr aus fluordotiertem Quarzglas einzuschmelzen.
Viele standardisierte Brechungsindexprofile sind komplex und erfordern hohe Brechzahlsprünge an benachbarten Schichten. Für die Einstellung derartiger Profile ist das bekannte Quarzglasrohr nicht uneingeschränkt einsetzbar. Dies liegt zum einen an der relativ geringen Fluorkonzentration in der Innenschicht. Zum anderen ist das Aufkollabieren von Rohren mit der vergleichsweise dünnen Wandstärke von 1 mm sehr problematisch und führt leicht zu Verformungen und Verwerfungen und anderen Defekten an der Grenzfläche. Andererseits ist die Herstellung fluordotierter Quarzglasrohre sehr teuer, insbesondere bei hohen Fluorkonzentrationen, so dass in der Regel die Rohr-Wandstärke nur so dick wie unbedingt nötig ausgelegt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine kostengünstige Herstellung eines maßgenauen Quarzglasrohres als Halbzeug für die Vorform- und Faserherstellung anzugeben. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein preisgünstiges und qualitativ hochwertiges Quarzglasrohr zur Verfügung zu stellen.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Quarzglas der inneren Schicht in einem ersten Plasma-Abscheideprozess unter Bildung einer Innenschicht mit einer Wandstärke von mindestens 1,5 mm erzeugt wird, wobei im Quarzglas ein Fluorgehalt von mindestens 1,5 Gew.-% eingestellt wird, und dass das Quarzglas der äußeren Schicht in einem zweiten Plasma-Abscheideprozess erzeugt und mittelbar oder unmittelbar auf der Innenschicht unter Bildung eines Verbundrohres abgeschieden wird, und dass das Verbundrohr zu dem Quarzglasrohr elongiert wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das für die innere Schicht bestimmte Quarzglas und auch das für die äußere Schicht bestimmte Quarzglas mittels eines Plasma-Abscheideverfahrens erzeugt. Dabei wird ein induktionsgekoppelter Plasmabrenner eingesetzt, dem Ausgangssubstanzen zugeführt werden, aus denen sich in der Plasmaflamme undotierte SiO₂-Partikel, beziehungsweise fluorhaltige SiO₂-Partikel bilden, die auf einen um seine Längsachse rotierenden Träger schichtweise abgeschieden und dabei direkt gesintert werden. Dieses Verfahren zur Herstellung von Quarzglas für optische Fasern ist auch unter der Bezeichnung „POD-Verfahren" (Plasma Outside Deposition) allgemein bekannt.
Ein Vorteil des POD-Verfahrens besteht darin, dass in Quarzglas besonders hohe Fluorgehalte von mehr als 1,5 Gew.-% (etwa bis zu 8 Gew.-%) eingebracht werden können, was mit einer entsprechend deutlichen Verringerung des Brechungsindex und der Möglichkeit zur Ausbildung eines größeren Brechzahlsprungs einhergeht.
Da beide Schichten des Verbundrohres mittels eines POD-Prozesses erzeugt werden, kann die gleiche Anlage benutzt und Umrüstungen oder die Bereitstellung von ansonsten erforderlichem Equipment vermieden werden. Dies vereinfacht die Herstellung, verringert die Gefahr von Ausschuss und verbilligt insgesamt die Herstellung des Verbundrohres. Außerdem wirkt sich diese Maßnahme auch auf die Qualität der Grenzfläche positiv aus.
Besonders wichtig ist jedoch, dass zunächst eine mechanisch stabile Innenschicht aus fluordotiertem Quarzglas mit einer ausreichend großen Schichtdicke von mindestens 1,5 mm für die Weiterverarbeitung zu dem Quarzglasrohr bereitgestellt werden kann. Die Innenschicht kann daher auch in Form eines Innenrohres ausgeführt sein. Denn ein derartig dickwandiges Quarzglasrohr zeigt eine ausreichend hohe mechanische und auch thermische Stabilität, und ist daher in nachfolgenden Verarbeitungsschritten einfacher zu handhaben, wobei hier insbesondere der Heißprozess zum Aufbringen der äußeren Schicht in einem weiteren POD-Prozess zu nennen ist.
Die Innenschicht wird unmittelbar durch ein POD-Abscheideverfahren erhalten, oder sie wird – dann in Form eines Innenrohrs vorliegend – durch Elongieren eines dickwandigeren Ausgangsrohres erzeugt. Die maximale Dicke der Innenschicht ist weniger aufgrund physikalischer Grenzen, sondern nur anlagentechnisch begrenzt.
Unmittelbar auf der Innenschicht oder über eine oder mehrere Zwischenschichten wird in einem zweiten POD-Abscheideprozess eine äußere Schicht aus Quarzglas aufgelegt, das nicht oder in geringerer Konzentration mit Fluor dotiert ist. Das Ergebnis ist ein dickwandiges Verbundrohr.
Aus den oben genannten Gründen ist dessen dickwandige Schicht aus fluordotiertem Quarzglas für die Herstellung von Vorformen in der Regel aber überflüssig und sie würde auch einen hohen Kostenfaktor darstellen. Daher ist gemäß der Erfindung ein weiterer Prozessschritt vorgesehen, bei dem das dickwandigere Verbundrohr zu einem dünnwandigeren Quarzglasrohr mit den gewünschten Abmessungen elongiert wird. Die Gesamtlänge der so erhaltenen Quarzglasrohres ist um ein Vielfaches größer als diejenige des anfänglichen Verbundrohres.
Erst im Quarzglasrohr liegen die innere und die äußere Schicht in den für die Weiterverarbeitung zur Vorform oder Faser vorgegebenen Schichtdicken vor; insbesondere ist die mit Fluor dotierte und besonders kostspielige innere Schicht so dick wie nötig und so dünn wie möglich ausgeführt.
Das Quarzglasrohr ist als Substratrohr für den Einsatz in einem MCVD-Verfahren, als Überfangrohr bei der Vorformherstellung nach der sogenannten Stab-in-Rohr-Technik, als Hüllrohr für die Herstellung sogenannter PCF-Fasern (Photonic Crystal Fibers) oder als Halbzeug für andere Herstellungsmethoden für Vorformen und optische Fasern sowie als Faserlaser und Faserverstärker einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit durch eine geschickte Abfolge von Maßnahmen, die das Bereitstellen einer thermisch stabilen Innenschicht, den Schichtenaufbau durch POD-Abscheidung und das abschließende Elongieren des Verbundrohres umfassen, eine vergleichsweise einfache, reproduzierbare und kostengünstige Herstellung eines geometrisch exakten, qualitativ hochwertigen Quarzglasrohres mit einer Stützschicht aus höher viskosem Quarzglas und mit einer inneren Schicht aus Quarzglas mit homogener Fluordotierung.
Es wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der eine Innenschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 10 mm, erzeugt wird.
Eine Innenschicht mit einer Wandstärke von mehr als 5 mm, vorzugsweise mehr als 10 mm, zeichnet sich durch hohe mechanische und thermische Stabilität aus, so dass sich die Handhabung in folgenden Weiterverarbeitungsschritten vereinfacht. Dies gilt auch für eine in Rohrform vorliegende Innenschicht. Außerdem gestaltet sich die Herstellung der Innenschicht mit zunehmender Schichtdikke/Wandstärke kostengünstiger.
Es hat sich besonders bewährt, wenn das Quarzglas der äußeren Schicht mit einer die Viskosität von Quarzglas erhöhenden Substanz dotiert wird.
Bei Dotierstoffen, die die Viskosität von Quarzglas erhöhen, handelt es sich beispielsweise um Stickstoff oder Aluminium. Die viskositätserhöhende Wirkung der Dotierstoffe trägt zur thermischen Stabilität der äußeren Schicht zusätzlich bei. Insbesondere Stickstoff kann beim POD-Abscheideprozess leicht in das Quarzglas-Netzwerk eingebaut werden, indem dem Plasmabrenner ein stickstoffhaltiges Gas, wie etwa NH₃ oder N₂O zugeführt werden. Beim Einsatz von NH₃ ist jedoch auch die Bildung von Hydroxylgruppen zu berücksichtigen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine innere Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 1 mm erzeugt wird.
Das vergleichsweise teuere, mit Fluor dotierte Quarzglas ist hierbei nur mit geringer Schichtdicke von weniger als 1 mm ausgebildet, so dass das entsprechende Quarzglasrohr relativ preisgünstig ist. Eine innere Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 100 μm zeigt jedoch nur einen geringen optischen Effekt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante wird eine äußere Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 1 mm erzeugt.
Es hat sich gezeigt, dass während des MCVD-Prozesses oder anderen Weiterverarbeitungsprozessen, bei denen das Quarzglasrohr einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, ein hoher Fluorgehalt zur Blasenbildung führen kann. Bei der hier beschriebenen Verfahrensvariante dient die äußere Schicht weniger der thermi schen Stabilisierung des Quarzglasrohres, sondern sie verhindert lediglich eine derartige Blasenbildung, indem sie als Sperrschicht gegen die Ausdiffusion von Fluor aus der inneren Schicht wirkt. Außerdem kann die nicht mit Fluor dotierte Sperrschicht eine bessere Grenzfläche zu einer weiteren, außen angrenzenden Quarzglasschicht bereit stellen.
Eine äußere Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 50 μm wird aus Handhabungsgründen jedoch nicht bevorzugt, da sie durch Reinigung des Quarzglasrohres oder andere Maßnahmen leicht beschädigt werden kann.
In einer alternativen und gleichermaßen bevorzugten Verfahrensvariante wird eine äußere Schicht mit einer Schichtdicke von mehr als 1 mm erzeugt.
Hierbei dient die äußere Schicht im Wesentlichen der thermischen Stabilisierung des Quarzglasrohres. Es hat sich gezeigt, dass diese Wirkung bei Schichtdicken von mehr als 1 mm besonders effektiv ist. Die maximale Schichtdicke hängt vom Einsatzzweck des jeweiligen Quarzglasrohres ab. So sind beispielsweise bei einem Einsatz als Substratrohr in einem MCVD-Verfahren Schichtdicken von mehr als 10 mm unerwünscht, da sie die Wärmezufuhr von Außen begrenzen, wohingegen bei einem Einsatz des Quarzglasrohres als Überfangrohr weitaus größere Schichtdicken erwünscht und brauchbar sein können.
Es hat sich außerdem bewährt, wenn beim Elongieren des Verbundrohres ein Ausziehverhältnis im Bereich von 3 bis 100 eingestellt wird.
Je größer das Ausziehverhältnis ist (das Verhältnis der Rohrlängen nach und vor Elongierprozess), um so geringer ist der auf die Länge des resultierenden Quarzglasrohres bezogene Herstellungsaufwand. Bei Ausziehverhältnissen unterhalb der genannten Untergrenze ergibt sich diesbezüglich kein nennenswerter Beitrag. Bei Ausziehverhältnissen oberhalb der genannten Obergrenze sind sehr großvolumige und schwer handhabbare Verbundrohre einzusetzen.
Vorzugsweise wird beim Elongieren die Innenbohrung des resultierenden Quarzglasrohres werkzeugfrei geformt.
Beim Elongieren stellt sich eine durch Heißverformung geglättete Innenoberfläche mit besonders hoher Oberflächengüte ein.
Hinsichtlich des Quarzglasrohres wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Quarzglasrohr der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Quarzglas der inneren Schicht einen Fluorgehalt von mindestens 1,5 Gew.-% und einen mittleren Hydroxylgruppengehalt im Bereich von 0 bis 50 Gew.-ppm, sowie eine im Schmelzfluss werkzeugfrei geformte Innenbohrung aufweist.
Das Quarzglasrohr gemäß der Erfindung ist mittels des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar. Es weist eine innere Schicht aus Quarzglas auf, welches sich einerseits durch einen vergleichsweise hohen mittleren Fluorgehalt und andererseits durch einen vergleichsweise geringen mittleren Hydroxylgruppengehalt auszeichnet. Wegen des geringen Hydroxylgruppengehalts ist das Quarzglasrohr auch dann für kernnahe Bereiche einer optischen Faser einsetzbar, wenn deren Arbeitswellenlänge durch die Anwesenheit von Hydroxylgruppen beeinflusst wird. Ein derartiges Quarzglas ist mittels eines Plasma-Abscheideprozesses unter Einsatz eines wasserstofffreien oder wasserstoffarmen Plasmas herstellbar. Auch das Quarzglas der äußeren Schicht, das kein Fluor oder weniger Fluor enthält als das Quarzglas der inneren Schicht, ist mittels eines Plasma-Abscheideverfahrens erzeugt.
Die Innenbohrung des erfindungsgemäßen Quarzglasrohres weist eine im Schmelzfluss werkzeugfrei geformte Innenwandung auf. Die glatte und hochwertige Oberfläche der Innenbohrung wird beispielsweise erhalten, indem das Quarzglasrohr durch Elongieren eines dickwandigeren Verbundrohres erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße, qualitativ hochwertige Quarzglasrohr weist somit eine Stützschicht aus höher viskosem Quarzglas und eine Innenschicht aus fluordotiertem Quarzglas auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Quarzglasrohres ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen des Quarzglasrohres den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen. Die in den übrigen Unteransprüchen genannten Aus gestaltungen des erfindungsgemäßen Quarzglasrohres werden nachfolgend näher erläutert.
Vorzugsweise weist das Quarzglas der inneren Schicht einen mittleren Hydroxylgruppengehalt im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-ppm auf.
Je geringer der Hydroxylgruppengehalt ist, um so eher ist das Quarzglasrohr für den Einsatz im kernnahen Bereich einer optischen Faser geeignet.
Die Einstellung eines besonders niedrigen Hydroxylgruppengehalts erfordert einen hohen Aufwand. Für die äußere Schicht ist in der Regel aber ein höherer Hydroxylgruppengehalt akzeptabel. Daher wird aus Kostengründen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglasrohres bevorzugt, bei der das Quarzglas der äußeren Schicht einen mittleren Hydroxylgruppengehalt im Bereich von 0 bis 300 Gew.-ppm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 Gew.-ppm, aufweist.
Das erfindungsgemäße Quarzglasrohr ist als Substratrohr für den Einsatz in einem MCVD-Verfahren für die Herstellung von Vorformen für optische Fasern, als Überfangrohr bei der Vorformherstellung nach der sogenannten Stab-in-Rohr-Technik, als Hüllrohr für die Herstellung sogenannter PCF-Fasern (Photonic Crystal Fibers) oder als Halbzeug für andere Herstellungsmethoden für Vorformen und optische Fasern sowie für Faserlaser und Faserverstärker einsetzbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
1 eine Vorrichtung zur Durchführung des POD-Verfahrens für die Abscheidung von fluordotiertem Quarzglas, und
2 eine Darstellung zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglasrohres mit einzelnen Verfahrensschritten und Zwischenprodukten.
Beispiel 1
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens für die Abscheidung von fluordotiertem Quarzglas auf einem Trägerrohr 3 dargestellt. Das Trägerrohr 3 besteht aus undotiertem Quarzglas und hat einen Innendurchmesser von 34 mm und einen Außendurchmesser von 40 mm.
Auf dem Trägerrohr 3 wird mittels eines üblichen POD-Verfahrens eine Schicht 4 aus fluordotiertem Quarzglas erzeugt. Hierzu werden einem Plasmabrenner 1 SiCl₄, Sauerstoff und SF₆ zugeführt und in einer dem Plasmabrenner 1 zugeordneten Brennerflamme 2 zu SiO₂-Partikeln umgesetzt. Indem der Plasmabrenner 1 entlang des Trägerrohres 3 reversierend von einem Ende zum anderen Ende bewegt wird, werden die SiO₂-Partikel schichtweise auf der Zylindermantelfläche des um seine Längsachse 6 rotierenden Trägerrohres 3 abgeschieden. Auf diese Weise gelingt es, eine hohe Fluorkonzentration von 5 Gew.-% mit homogener axialer und radialer Verteilung in dem Quarzglasnetzwerk der Schicht 4 einzubinden. Die Plasmaflamme 2 wird innerhalb einer Reaktionshülse 8 aus Quarzglas erzeugt, das von einer Hochfrequenzspule 7 umgeben ist.
Die Rotationsgeschwindigkeit des Trägerrohres 3 und die Translationsgeschwindigkeit des Plasmabrenners 1 werden so eingestellt, dass die einzelnen Quarzglasschichten eine mittlere Stärke von etwa 12 μm aufweisen. Auf diese Art und Weise wird eine Schicht 4 aus fluordotiertem Quarzglas mit einer Stärke von 15 mm erzeugt.
Das so beschichtete Halbzeug wird anschließend in einem weiteren POD-Abscheideprozess und in gleicher Weise, wie dies für das fluordotierte Quarzglas beschrieben ist, mit einer Außenschicht aus undotiertem Quarzglas versehen. Der SF₆-Gasstrom wird hierbei abgeschaltet. Die Dicke der Außenschicht des so erzeugten Verbundrohres beträgt 1,43 mm.
Nach Abschluss des Abscheideprozesses wird in die Bohrung des Trägerrohres 3 ein erhitzter Ätzgasstrom aus SF₆ eingeleitet. Der Ätzgasstrom aus SF₆ ist so bemessen, dass das Trägerrohr 3 vollständig abgetragen und lediglich die Glasschicht 4 in Rohrform mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Wand stärke von ca. 16,43 mm erhalten wird. Eine mechanische Bearbeitung der Innenbohrung der Rohrform (= Verbundrohr) ist nicht erforderlich.
Das so erhaltene Verbundrohr aus fluorhaltiger Innenschicht und undotierter Quarzglas-Außenschicht wird in einem Elongierprozess mit einem Ausziehverhältnis von 25,75 werkzeugfrei zu einem dünnwandigen Quarzglasrohr mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einer Wandstärke von 2 mm gezogen und dabei aufgeblasen. Hierzu wird in der Innenbohrung ein gegenüber dem außen anliegenden Außendruck um 5 mbar erhöhter Innendruck aufrechterhalten. Die Wandung des Quarzglasrohres setzt sich aus einer Außenschicht aus undotiertem Quarzglas mit einer Dicke von 200 μm und einer Innenschicht aus homogen mit Fluor dotiertem Quarzglas mit einer Dicke von 1,8 mm zusammen, und es zeichnet sich durch eine durch Heißverformung geglättete Innenwandung mit besonders hoher Oberflächengüte aus.
Das so erhaltene Quarzglasrohr wird als Substratrohr zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt. Hierfür werden aus dem Quarzglasrohr Teilstücke mit den gewünschten Längen abgelängt. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz dient die Außenschicht als „Passivierungsschicht", die die Ausdiffusion von Fluor aus der Innenschicht und die damit einhergehende Blasenbildung bei nachfolgenden Heißbearbeitungsschritten vermindert. Außerdem trägt sie zu einer defektarmen Kontakt- und Grenzfläche in Bezug auf eine außen angrenzende Schicht bei.
Beispiel 2
2 zeigt schematisch ein inneres Rohr 20 aus Quarzglas, welches mittels POD-Abscheidung erzeugt und homogen mit 7 Gew.-% Fluor dotiert ist. Das Rohr 20 hat einen Innendurchmesser von 20 mm und eine Wandstärke von 7 mm.
Auf dem inneren Rohr 20 wird mittels POD-Abscheidung eine zweite Rohrschicht 21 mit einer Schichtdicke von 5 mm erzeugt und diese homogen mit 1,5 Gew.-% Fluor dotiert.
Der Verbund 22 aus innerem Rohr 20 und zweiter Rohrschicht 21 aus fluordotiertem Quarzglas wird anschließend in einem weiteren POD-Abscheideprozess und in gleicher Weise wie oben beschrieben mit einer Außenschicht 23 aus undotiertem Quarzglas mit einer Schichtstärke von 20 mm versehen. Die Gesamtwandstärke des so erzeugten Verbundrohres 24 beträgt demnach 32 mm.
Das Verbundrohr 24 aus zweiteiliger, fluorhaltiger Innenschicht 20; 21 und undotierter Quarzglas-Außenschicht 23 wird in einem Elongierprozess mit einem Ausziehverhältnis von 25,21 werkzeugfrei zu einem dünnwandigen Quarzglasrohr 25 mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 3 mm gezogen. Die Wandung des Quarzglasrohres 25 setzt sich aus einer Außenschicht 23' aus undotiertem Quarzglas mit einer Dicke von 2,23 mm und einer Innenschicht mit Schichtlagen 20' (innen) mit einer Dicke von 0,39 mm und 21' (außen) mit einer Dicke von 0,38 mm aus Quarzglas mit unterschiedlichen Fluordotierungen und mit einer Gesamtdicke von 3 mm zusammen, und es zeichnet sich durch eine durch Heißverformung geglättete Innenwandung 26 mit besonders hoher Oberflächengüte aus.
Das so erhaltene Quarzglasrohr wird als Substratrohr zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt. Hierfür werden aus dem Quarzglasrohr Teilstücke mit den gewünschten Längen abgelängt. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz dient die Außenschicht 23 als „Stabilisierungsschicht" zur mechanischen Versteifung der Fluor enthaltenden Innenschicht 20; 21 beim MCVD-Prozess. Außerdem trägt sie zu einer defektarmen Kontakt- und Grenzfläche zu einer außen angrenzenden Schicht bei.
Beispiel 3
Ähnlich dem anhand Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wird ein Trägerrohr aus undotiertem Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 30 mm und einen Außendurchmesser von 40 mm bereitgestellt. Auf dem Trägerrohr wird mittels des POD-Verfahrens eine Schicht aus Quarzglas mit einer Dicke von 40 mm erzeugt, das homogen mit Fluor in einer Konzentration von 2,5 Gew.-% dotiert ist.
Unmittelbar anschließend wird auf der fluordotierten Quarzglasschicht in einem weiteren POD-Abscheideprozess eine Außenschicht aus undotiertem Quarzglas mit einer Dicke von 2,05 mm erzeugt.
Nach Abschluss des Abscheideprozesses wird das Trägerrohr durch Honen entfernt, so dass lediglich die durch POD-Verfahren erzeugte Glasschicht in Rohrform mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Wandstärke von ca. 42,05 erhalten wird.
Das so erhaltene Rohr aus fluorhaltiger Innenschicht und undotierter Quarzglas-Außenschicht hat einen Außendurchmesser von 124,1 mm und wird in einem Elongierprozess mit einem Ausziehverhältnis von 38,35 werkzeugfrei zu einem dünnwandigen Quarzglasrohr mit einem Außendurchmesser von 33 mm und einer Wandstärke von 3 mm gezogen. Die Wandung des Quarzglasrohres setzt sich aus einer Außenschicht aus undotiertem Quarzglas mit einer Dicke von 200 μm und einer Innenschicht aus homogen mit Fluor dotiertem Quarzglas mit einer Dikke von 2,8 mm zusammen, und es zeichnet sich durch eine durch Heißverformung geglättete Innenwandung mit besonders hoher Oberflächengüte aus. Der mittlere Hydroxylgruppengehalt der Innenschicht liegt bei 5 Gew.-ppm, und derjenige der Außenschicht bei etwa 280 Gew.-ppm.
Das so erhaltene Quarzglasrohr wird als Überfangrohr zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt. Hierfür werden aus dem Quarzglasrohr Teilstücke mit den gewünschten Längen abgelängt. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz dient die Außenschicht als „Passivierungsschicht", die die Ausdiffusion von Fluor aus der Innenschicht und die damit einhergehende Blasenbildung bei nachfolgenden Heißbearbeitungsschritten vermindert. Außerdem trägt sie zu einer defektarmen Kontakt- und Grenzfläche zu einer außen angrenzenden Schicht bei.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohres (25) als Halbzeug für die Herstellung optischer Fasern, das eine innere, mit Fluor dotierte Quarzglas-Schicht (20'; 21') und eine äußere Quarzglas-Schicht (23') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas der inneren Schicht (20'; 21') in einem ersten Plasma-Abscheideprozess unter Bildung einer Innenschicht (20; 21) mit einer Wandstärke von mindestens 1,5 mm erzeugt wird, wobei im Quarzglas ein Fluorgehalt von mindestens 1,5 Gew.-% eingestellt wird, und dass das Quarzglas der äußeren Schicht (23') in einem zweiten Plasma-Abscheideprozess erzeugt und mittelbar oder unmittelbar auf der Innenschicht (20; 21) unter Bildung eines Verbundrohres (24) abgeschieden wird, und dass das Verbundrohr (24) zu dem Quarzglasrohr (25) elongiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (20; 21) mit einer Wandstärke von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 10 mm, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas der äußeren Schicht (23') mit einer die Viskosität von Quarzglas erhöhenden Substanz dotiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Schicht (20'; 21') mit einer Schichtdicke von weniger als 1 mm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Schicht (23') mit einer Schichtdicke von weniger als 1 mm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Schicht (23') mit einer Schichtdicke von mehr als 1 mm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Elongieren des Verbundrohres (24) ein Ausziehverhältnis im Bereich von 3 bis 100 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Elongieren die Innenbohrung (26) des resultierenden Quarzglasrohres (25) werkzeugfrei geformt wird.
Quarzglasrohr (25) als Halbzeug für die Herstellung optischer Fasern, das eine innere, mit Fluor dotierte Quarzglas-Schicht (20'; 21') und eine äußere Quarzglas-Schicht (23') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas der inneren Schicht (20'; 21') einen Fluorgehalt von mindestens 1,5 Gew.-% und einen mittleren Hydroxylgruppengehalt im Bereich von 0 bis 50 Gew.-ppm sowie eine im Schmelzfluss werkzeugfrei geformte Innenbohrung (6) aufweist.
Quarzglasrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas der inneren Schicht (20'; 21') einen mittleren Hydroxylgruppengehalt im Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-ppm aufweist.
Quarzglasrohr nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas der äußeren Schicht (23') mit einer die Viskosität von Quarzglas erhöhenden Substanz dotiert ist.
Quarzglasrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (20'; 21') eine Schichtdicke von weniger als 1 mm aufweist.
Quarzglasrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (23') eine Schichtdicke von weniger als 1 mm aufweist.
Quarzglasrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (23') eine Schichtdicke von mehr als 1 mm aufweist.
Quarzglasrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas der äußeren Schicht (23') einen mittleren Hydroxylgruppengehalt im Bereich von 0 bis 300 Gew.-ppm, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50 Gew.-ppm aufweist.
Verwendung eins Quarzglasrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15 zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser.
Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform zur Herstellung einer optischen Faser eingesetzt und dabei elongiert wird.