DE102008056084A1

DE102008056084A1 - Zylinderförmiges Halbzeug zur Herstellung einer optischen Faser sowie Verfahren für die Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102008056084A1
Application number: DE102008056084A
Authority: DE
Inventors: Thomas Krause; Martin Trommer
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: WO2010052163A1; US20110244154A1; CN102209690A; JP2012507468A; DE102008056084B4

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren für die Herstellung eines maßhaltigen Halbzeugs zum Einsatz bei der Faserherstellung aus synthetischem Quarzglas wird auf der Außenwandung eines Quarzglas-Innenzylinders eine SiO2-Sootschicht aufgebracht und diese einer Sinterbehandlung unterzogen, bei der eine Sinterzone von außen nach innen durch die SiO2-Sootschicht wandert. Um hiervon ausgehend einerseits eine maßgenaue und verformungsarme Herstellung und andererseits eine hohe Kosteneffizienz zu erreichen, wirdng zu unterbrechen, bevor die Sinterzone die Außenwandung des Innenzylinders erreicht, so dass an der Innenzylinder-Außenwandung eine Zwischenschicht aus Poren enthaltendem, synthetischem Quarzglas verbleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zylinderförmiges Halbzeug für die Herstellung einer optischen Faser.
Außerdem geht es in der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Halbzeugs aus synthetischem Quarzglas für die Herstellung einer optischen Faser, indem ein eine Außenwandung aufweisender Innenzylinder aus synthetischem Quarzglas mit einer SiO₂-Sootschicht umhüllt wird, und die SiO₂-Sootschicht einer Sinterbehandlung unterzogen wird, bei der die SiO₂-Sootschicht von außen erhitzt wird und dabei unter Bildung einer Außenschicht aus transparentem Quarzglas eine Sinterzone von außen nach innen durch die SiO₂-Sootschicht wandert.
Stand der Technik
Kernstäbe, wie sie zur Herstellung optischer Fasern eingesetzt werden, weisen typischerweise einen Kernglasbereich auf, der von einer inneren, relativ dünnen Mantelglasschicht umgeben ist. Weiteres Mantelglas wird entweder durch Beschichten des Kernstabs mit synthetischem Quarzglas aufgebracht, oder durch Überfangen des Kernstabs mit einem oder mehreren Hohlzylindern aus synthetischem Quarzglas. In beiden Fällen sind Zwischenschritte üblich, bei denen poröse Sootsschichten aus SiO₂-Partikeln auf einem Substratkörper abgeschieden und die Sootschicht anschließend zu transparentem Quarzglas, das als Mantelglas bei der Faserherstellung dient, gesintert wird.
So beschreibt beispielsweise die US 6,422,042 A ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern, indem eine SiO₂-Sootschicht auf der Mantelfläche eines Rohres aus fluordotiertem Quarzglas aufgebracht wird. In die Innenbohrung des Quarzglasrohres wird ein Kernstab eingeführt, und anschließend wird in einem Heißprozess die Sootschicht verglast und gleichzeitig das Quarzglasrohr auf den Kernstab aufkollabiert.
Aus der DE 101 55 134 C ist ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorform bekannt, bei dem eine poröse SiO₂-Sootschicht unmittelbar auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Kernstabs abgeschieden wird. Um einen Einbau von Hydroxylgruppen in das Quarzglas des Kernstabs zu vermeiden, erfolgt das Abscheiden der SiO₂-Sootschicht in einer wasserstofffreien Reaktionszone, beispielsweise einem wasserstofffreien Plasma.
Ein Halbzeug und ein Verfahren der eingangs genannten Gattung sind aus der WO 2008/071759 A1 bekannt. Darin wird zur Herstellung eines Hohlzylinders aus Quarzglas für den Einsatz als Halbzeug für die Faserherstellung ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Innenrohr aus Quarzglas mit einer porösen SiO₂-Sootschicht versehen wird. Anschließend wird die SiO₂-Sootschicht so verglast, dass die Innenseite des Innenrohres unterhalb der Verformungstemperatur von Quarzglas bleibt. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass beim Verglasungsprozess durch die Innenbohrung des Innenrohres ein Kühlmittel geleitet wird.
Auf diese Weise kann ein Hohlzylinder mit einer glatten Innenoberfläche ohne Geometrieabweichungen erzeugt werden, der nicht mehr mechanisch nachbearbeitet werden muss und der als Halbzeug für die Faserherstellung unmittelbar einsetzbar ist. Das Verfahren hat aber den Nachteil, dass zum Kühlen des Innenrohres große Mengen an Kühlmittel eingesetzt werden müssen, um dessen Verformung zu verhindern.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Herstellung eines Halbzeugs zum Einsatz bei der Faserherstellung anzugeben, das einerseits den Vorteil einer maßgenauen und verformungsarmen Herstellung des bekannten Verfahrens gewährleistet und das andererseits kostengünstig ist.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zur Herstellung optischer Fasern geeignetes Halbzeug bereitzustellen, das preiswert herstellbar ist und das sich durch eine hohe Maßhaltigkeit auszeichnet.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sinterbehandlung unterbrochen wird, bevor die Sinterzone die Außenwandung des Innenzylinders erreicht, so dass zwischen Außenschicht und Innenzylinder-Außenwandung eine Zwischenschicht aus Poren enthaltendem, synthetischem Quarzglas verbleibt.
Bei dem Innenzylinder handelt es sich entweder um ein Quarzglasrohr, das vorzugsweise eine im Schmelzfluss erzeugte, glatte Innenwandung aufweist, oder um einen Stab, wie beispielsweise einen Kernstab.
Der Innenzylinder wird in bekannter Weise mit einer SiO₂-Sootschicht versehen, die anschließend in einer Sinterbehandlung verglast wird. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren wird die Sinterbehandlung jedoch nicht soweit geführt, dass die Sootschicht vollständig zu transparentem Quarzglas verglast, sondern sie wird unterbrochen, bevor die von außen nach innen fortschreitende Sinterzone die Außenwandung des Innenzylinders erreicht. Auf diese Weise wird an der Außenwandung des Innenzylinders eine poröse, opake Zwischenschicht erzeugt, die beiderseits von Quarzglas umgeben ist. Diese Verfahrensweise hat mehrere Vorteile.

(1) Die Sootschicht wird während der Sinterbehandlung nur teilweise gesintert. Dadurch ergibt sich eine niedrigere Sintertemperatur und/oder eine kürzere Sinterdauer, so dass in jedem Fall die erforderliche Heizleistung geringer ist als sie zum vollständigen Durchsintern der Sootschicht erforderlich wäre. Dabei ist zu beachten, dass Quarzglas als thermischer Isolator wirkt und daher die gesinterte, glasige Schicht für den nicht durch Strahlung übertragenen Anteil der Heizleistung als Barriere wirkt, so dass mit deren zunehmender Dicke eine höhere Heizleistung zum weiteren Sintern erforderlich ist. Gerade der äußerste, an die Außenwandung des Innenzylinders unmittelbar angrenzende Bereich der SiO₂-Sootschicht erfordert daher die höchsten Heizleistungen zum Transparentsintern, so dass das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Einsparung von Heizenergie beiträgt.
(2) Dadurch, dass die Sintertemperatur niedriger und/oder die Sinterdauer kürzer ist, ergibt sich außerdem ein geringerer Energieeintrag in den Innenzylinder. Dieser wird dadurch weniger stark thermisch belastet. Dazu trägt bei, dass die verbleibende porenhaltige, opake Zwischenschicht den Strahlungstransport zum Innenzylinder deutlich vermindert und den Innenzylinder so zusätzlich vor thermischer Belastung schützt. Somit kann ohne aufwändige Kühlmaßnahmen – wie im Stand der Technik – eine Verformung des Innenzylinders zuverlässig vermieden werden.
(3) Da die porenhaltige Zwischenschicht zu einer geringeren thermischen Belastung des Innenzylinders führt und eine Verformung zuverlässig verhindert, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren den Einsatz eines Kernstabs als Innenzylinder, ohne Gefahr einer Beeinträchtigung dieses aufwändig herzustellenden und kostspieligen Bauteils.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Halbzeug zeigt somit in radialer Richtung eine „Sandwich-Struktur”, die von innen nach außen aus einem transparenten Quarzglas-Innenzylinder, einer opak verglasten Zwischenschicht und einer transparent verglasten Außenschicht aufgebaut ist. Das Halbzeug ist zur Herstellung von optischen Fasern vorgesehen. Es wird daher einem oder mehreren nachfolgenden Heißverformungsprozessen unterzogen, wobei es sich insbesondere um einen Elongierprozess handelt, bei dem das Halbzeug alleine oder mit anderen Bauteilen zusammen zu einer optischen Faser oder zu einer Vorform für eine optische Faser elongiert wird. Der Elongierprozess erfordert ein vollständiges Erweichen des Quarzglases des Halbzeugs, und es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die opake Zwischenschicht dabei in eine fehlerfreie, transparente Quarzglasschicht umwandelt, also vollständig zu transparentem Quarzglas sintert.
Im Hinblick auf ein vollständiges Sintern hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Sinterbehandlung unter Unterdruck ausgeführt wird, wobei die Poren der Zwischenschicht Vakuolen sind.
Vakuolen sind geschlossene Poren, die im nachfolgenden Heißbehandlungsprozess auch bei besonders kurzen Erweichungsdauern oder niedrigen Erweichungstemperaturen zuverlässig kollabieren, so dass keine Hohlräume zurückbleiben.
Dadurch, dass die Poren der opaken Grenzschicht von geschlossenen Vakuolen gebildet werden, kann das Halbzeug den üblichen Reinigungsprozessen unterzogen werden, ohne dass eine Gefahr des Eintrags von Reinigungsmedium die poröse Struktur besteht.
Alternativ dazu kann die Sinterbehandlung auch unter Wasserstoff oder Helium ausgeführt werden, wobei die Poren der Zwischenschicht Wasserstoff oder Helium enthalten.
Bei Wasserstoff und Helium handelt es sich um Gase, die in Quarzglas bei hohen Temperaturen besonders leicht diffundieren und daher auch aus geschlossenen Poren durch Diffusion noch entweichen können. Die gasgefüllten Poren können daher bei einem nachfolgenden Elongierprozess kollabieren, sofern die Erweichungsdauer dabei ausreichend lange und/oder die Erweichungstemperatur hinreichend hoch ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Poren mit einem mittleren Porendurchmesser von weniger als 5 μm, vorzugsweise mit einem mittleren Porendurchmesser von weniger als 3 μm, erzeugt werden.
Je kleiner die verbleibenden Poren der Zwischenschicht sind, umso zuverlässiger kollabieren sie beim nachfolgenden Heißverformungsprozess. Vorzugsweise beträgt der mittlere Porendurchmesser daher weniger als 2 μm. Der Porendurchmesser wird bei der Sinterbehandlung eingestellt, indem die Sinterbehandlung solange aufrechterhalten wird, bis die Zwischenschicht soweit thermisch verdichtet ist, dass nur noch entsprechend kleine Poren verbleiben. Der maximale Porendurchmesser sollte 20 μm nicht überschreiten, da bei derart großen Poren eine lange Heizdauer und/oder eine hohe Heiztemperatur beim nachfolgenden Heißverformungsprozess erforderlich sind, um ein vollständiges Kollabieren zu gewährleisten. Bei sehr großen Poren besteht auch ein höheres Risiko für einen Eintrag von Verunreinigungen bei nachfolgenden Heißverformungsprozessen.
In dem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn die SiO₂-Sootschicht im Mittel eine relative Dichte (bezogen auf die Dichte von Quarzglas) im Bereich von 25 bis 30% aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass bei gleichen Sinterbedingungen (Temperatur und Dauer) die relative Dichte der Sootschicht Einfluss auf den Durchmesser der in der Zwischenschicht verbleibenden Poren hat. Eine relative Dichte der Sootschicht von weniger als 25% führt beim Sintern zu hoher Schwindung, die leicht mit Verwertungen und Inhomogenitäten einhergehen kann, die sich beim nachfolgenden Heißverformungsprozess nur schwierig entfernen lassen. In ähnlicher Weise können sich überraschenderweise auch anfänglich hohe relative Dichten der Sootschicht von mehr als 30% auswirken. Hierbei können sich innerhalb der Sootschicht leicht Bereiche mit geringer Gasdurchlässigkeit ausbilden, die ein homogenes Dichtsintern der Zwischenschicht erschweren und daher ebenfalls zu Grobblasen führen können. Als Dichte von Quarzglas wird von einem Wert von 2,21 g/cm³ ausgegangen.
Es hat sich bewährt, wenn die Zwischenschicht mit einer mittleren Stärke von maximal 50 mm, vorzugsweise mit einer mittleren Stärke im Bereich zwischen 1 und 10 mm, erzeugt wird.
Je dünner die verbleibende Zwischenschicht ist, umso einfacher kann sie im nachfolgenden Heißverformungsschritt vollständig beseitigt werden. Andererseits sind ihre Wirkungen hinsichtlich Energieeinsparung und Verringerung der thermischen Belastung des Innenzylinders bei der Sinterbehandlung umso ausgeprägter, je dicker die Zwischenschicht ist. Bei Schichtdicken von weniger als 1 mm machen sich diese Wirkungen kaum mehr bemerkbar, so dass der genannte Bereich zwischen 1 und 50 mm einen geeigneten Kompromiss darstellt.
Für den Fall, dass ein rohrförmig ausgebildeter Innenzylinder eingesetzt wird, hat es sich bewährt, dass dieser eine mittlere Wandstärke im Bereich von 4 mm bis 25 mm und einen Innendurchmesser im Bereich von 30 bis 60 mm aufweist.
Als Innenzylinder wird hier ein Innenrohr eingesetzt. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Erweichen und eine Verformung der Innenrohr-Innenwandung vermieden wird, erübrigt sich eine nachträgliche aufwändige mechanische Nachbearbeitung der Innenbohrung, so dass ein rohrförmiges Halbzeug mit hoher geometrischer Präzision und Oberflächengüte der Innenbohrung kostengünstig erhalten werden kann. Die Wandstärke des Innenzylinders wird im Wesentlichen durch Gewicht und Volumen der zu haltenden Sootschicht bestimmt. Sie wird aus Festigkeitsgründen so dick wie nötig und aus Kostenerwägungen so dünn wie möglich gewählt. Der angegebene Bereich von 4 mm bis 25 mm stellt hierbei einen geeignete Kompromiss dar, wobei bei einem rohrförmigen Innenzylinder, der beim Abscheiden der Sootschicht oder beim Sinterprozess mittels eines in der Innenbohrung eingeführten Stützkörpers – wie etwa einem Grafitstab – gestützt wird, eine geringe Wandstärke im Bereich weniger Millimeter genügen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von rohförmigem Halbzeug mit besonders kleinem Innendurchmesser.
Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Außenschicht mit einer mittleren Stärke im Bereich von 10 mm bis 150 mm erzeugt wird.
Die Außenschicht aus dichtem, transparentem Quarzglas stabilisiert das Halbzeug während nachfolgender Weiterbearbeitungsschritte und sie schützt insbesondere die poröse Zwischenschicht bei nachfolgenden Heißbearbeitungsschritten vor dem Einfluss der Atmosphäre. Diese Funktion wird bei einer Mindeststärke der Außenschicht von 10 mm begünstigt. Eine Außenschicht mit einer Dicke von mehr als 150 mm stellt hingegen eine gewisse Wärmesperre dar, die bei nachfolgenden Heißverformungsprozessen ein Dichtsintern der porösen Zwischenschicht erschweren kann.
Das Sintern der Sootschicht während der Sinterbehandlung erfolgt entweder dadurch, dass das zylinderförmige Halbzeug von einem stirnseitigen Ende zum anderen Ende zonenweise erhitzt wird, oder dadurch, dass das Halbzeug über seine gesamte Länge gleichzeitig erhitzt wird.
Beim zonenweisen Sintern werden die in der Sootschicht vorhandenen Gase vor der nach innen fortschreitenden Sinterfront hergetrieben und können aus den noch porösen Bereichen der Sootschicht leichter entweichen. Dies erleichtert die Einstellung einer Zwischenschicht mit geringer Größe der geschlossenen Poren.
Bei einer besonders bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Innenzylinder aus Quarzglas eingesetzt wird, das im Bereich zwischen 1.000 und 15.000 Gew.-ppm Fluor enthält.
Bekanntlich bewirkt die Zudotierung von Fluor eine Erniedrigung sowohl des Brechungsindex als auch der Viskosität von Quarzglas. Die vergleichsweise geringere Viskosität des fluordotierten Quarzglases kann beim Sintern leicht zu einer Verformung des Innenzylinders führen. Das erfindungsgemäße Verfahren vermindert bei der Sinterbehandlung die Heizeinwirkung auf den Innenzylinder, was den Einsatz von Innenzylindern aus thermisch weniger stabilem Quarzglas ermöglicht, wie etwa einem mit Fluor dotierten Quarzglas. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher insbesondere zur Herstellung von Halbzeug mit radial inhomogenem, insbesondere mit stufenweisem Brechzahlverlauf besonders gut geeignet.
Hinsichtlich des Halbzeugs wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Halbzeug der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es eine Innenschicht aus transparentem, synthetischem Quarzglas, eine Zwischenschicht aus Poren enthaltendem, synthetischem Quarzglas, und eine Außenschicht aus transparentem, synthetischem Quarzglas aufweist.
Das erfindungsgemäße Halbzeug zeichnet sich somit durch eine „Sandwich-Struktur” aus, bei der ein Bereich aus Quarzglas mit hoher Porosität zwischen Bereichen aus transparentem Quarzglas eingeschlossen ist. Wegen der „sandwichartigen” Einbettung der porösen Schicht zwischen dichtem, transparentem Quarzglas kann das erfindungsgemäße Halbzeug vor seiner Weiterverarbeitung den üblichen Reinigungsmethoden unterzogen werden, wie etwa einem Ätzen in einer flüssigen Ätzlösung oder einer Behandlung in einer ätzenden oder reinigenden Atmosphäre, ohne dass dadurch Verunreinigungen aus den Reinigungs- oder Ätzmitteln in die poröse Zwischenschicht eingetragen werden können.
Das zylinderförmige Halbzeug ist anhand des oben beschriebenen Verfahrens kostengünstig herstellbar, wobei die Innenschicht während der Sinterbehandlung der Außenschicht thermisch wenig belastet wird. Dadurch zeichnet sich das erfindungsgemäße zylinderförmige Halbzeug durch geringe Abweichungen von der Zylindersymmetrie aus und im Fall eines rohrförmigen Halbzeugs durch eine Innenbohrung mit hoher Maßhaltigkeit.
Das Halbzeug dient zur Herstellung einer optischen Faser und ist dazu vorgesehen, einem oder mehreren nachfolgenden Heißverformungsprozessen unterzogen zu werden, wobei hier in erster Linie ein Elongierprozess zu nennen ist, bei dem das Halbzeug alleine oder mit anderen Bauteilen zusammen zu einer optischen Faser oder zu einer Vorform für eine optische Faser elongiert wird. Ein derartiger Elongierprozess erfordert ein vollständiges Erweichen des Quarzglases des Halbzeugs und es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die opake Zwischenschicht dabei in eine fehlerfreie, transparente Quarzglasschicht umwandelt, also vollständig zu transparentem Quarzglas gesintert wird.
Mindestens ein Teil des Mantelglasbereichs der optischen Faser wird von einem Halbzeug gemäß der Erfindung gebildet. Das Halbzeug trägt somit zu einer kostengünstigen Herstellung einer qualitativ hochwertigen optischen Faser bei.
Im Hinblick auf ein vollständiges Kollabieren in einem nachfolgenden Heißbearbeitungs- oder Elongierprozess hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Poren der Zwischenschicht Vakuolen sind oder dass sie Wasserstoff oder Helium enthalten. In dieser Hinsicht wird auf die obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren hingewiesen.
Im Hinblick auf ein vollständiges Kollabieren der Poren hat es sich außerdem bewährt, wenn die Poren einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 5 μm, vorzugsweise einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 3 μm, aufweisen.
Je kleiner die verbleibenden Poren der Zwischenschicht sind, umso zuverlässiger kollabieren sie beim nachfolgenden Heißverformungsprozess. Vorzugsweise beträgt der mittlere Porendurchmesser daher weniger als 3 μm. Der maximale Porendurchmesser sollte 20 μm nicht überschreiten, da bei derart großen Poren eine lange Heizdauer und/oder eine hohe Heiztemperatur beim nachfolgenden Heißverformungsprozess erforderlich sind, um ein vollständiges Kollabieren zu gewährleisten. Bei sehr großen Poren besteht auch ein höheres Risiko für einen Eintrag von Verunreinigungen bei nachfolgenden Heißverformungsprozessen.
Vorzugsweise weist die Zwischenschicht eine mittlere Stärke von maximal 50 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 10 mm, auf.
Je dünner die Zwischenschicht ist, umso einfacher kann sie im nachfolgenden Heißverformungsschritt vollständig beseitigt werden.
Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Innenschicht rohrförmig ausgebildet ist und eine mittlere Stärke im Bereich von 4 mm bis 25 mm und einen Innendurchmesser im Bereich von 30 bis 60 mm aufweist.
Das Halbzeug ist hierbei rohrförmig ausgebildet und demgemäß die Innenschicht mit einer Innenbohrung versehen. Infolge der vergleichsweise geringen thermischen Belastung der Innenschicht bei der Herstellung des Halbzeugs zeichnet sich dessen Innenbohrung durch hohe geometrische Präzision und Oberflächengüte aus. Aufwändige mechanische Nachbearbeitungen der Innenwandung der Innenbohrung nach dem Sinterprozess sind nicht erforderlich.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Außenschicht eine mittlere Stärke im Bereich von 10 mm bis 150 mm aufweist.
Die Außenschicht aus dichtem, transparentem Quarzglas stabilisiert das Halbzeug während seiner Weiterverarbeitung und schützt insbesondere die poröse Zwischenschicht bei nachfolgenden Heißbearbeitungsschritten vor dem Einfluss der Atmosphäre. Diese Wirkung wird durch eine Mindeststärke der Außenschicht von 10 mm begünstigt. Bei Dicken der Außenschicht von mehr als 150 mm stellt diese eine gewisse Wärmesperre bei nachfolgenden Heißverformungsprozessen dar, die ein Dichtsintern der porösen Zwischenschicht erschweren kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenschicht aus Quarzglas besteht, das im Bereich zwischen 1.000 und 15.000 Gew.-ppm Fluor enthält.
Bekanntlich bewirkt die Zudotierung von Fluor eine Erniedrigung sowohl des Brechungsindex als auch der Viskosität von Quarzglas. Die vergleichsweise geringere Viskosität des fluordotierten Quarzglases kann beim Erhitzen zum Sintern der Außenschicht leicht zu einer Verformung der Innenschicht führen. Das oben erläuterte erfindungsgemäße Verfahren vermindert die Heizeinwirkung auf die Innenschicht des Halbzeugs bei der Sinterbehandlung, so dass ein Halbzeug mit einer geometrisch präzisen und maßhaltigen Innenschicht erhalten werden kann, auch wenn diese aus einem thermisch weniger stabilen Quarzglas besteht, wie etwa einem mit Fluor dotierten Quarzglas. Bei einer Außenschicht und einer Zwischenschicht aus undotiertem Quarzglas zeigt das erfindungsgemäße Halbzeug somit einen radial inhomogenen, stufenweisen Brechzahlverlauf. Ein derartiges Halbzeug ist für die Herstellung so genannter biegeunempfindlicher optischer Fasern, die sich durch einen Mantelbereich mit abgesenktem Brechungsindex auszeichnen, besonders geeignet.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung
1 einen radialen Querschnitt eines mit einer SiO₂-Sootschicht beschichteten Quarzglas-Innenrohres vor dem Sintern der SiO₂-Sootschicht,
2 einen radialen Querschnitt des mit der SiO₂-Sootschicht beschichteten Quarzglas-Innenrohres nach dem Sintern der SiO₂-Sootschicht,
3 schematisch ein Diagramm mit dem radialen Profil des Porenvolumens im Bereich der Grenzfläche zwischen Außenschicht und Zwischenschicht beim erfindungsgemäßen Halbzeug, und
4 schematisch eine Draufsicht auf den Bereich der Grenzfläche zwischen Außenschicht und Zwischenschicht beim erfindungsgemäßen Halbzeug.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Innenrohr 3 aus synthetischem Quarzglas, auf dem nach dem bekannten OVD-Verfahren eine SiO₂-Sootschicht 4 abgeschieden worden ist. Das Innenrohr 3 weist eine Innenbohrung 2 mit einem Innendurchmesser von 50 mm und eine Wandstärke von 10 mm auf. Die Sootschicht 4 hat eine Stärke von etwa 150 mm bei einer mittleren Dichte von etwa 27%.
Das mit der SiO₂-Sootschicht 4 beschichtete Innenrohr 3 wird einer Sinterbehandlung unterzogen, bei der als Ergebnis das in 2 dargestellte Halbzeug 1 gemäß der Erfindung erhalten wird.
Das Halbzeug 1 weist unverändert die Innenbohrung 2 mit einem Innendurchmesser von 50 mm auf, die von einer Innenschicht 5 aus synthetischem Quarzglas mit einer Schichtdicke von 10 mm umgeben ist, wobei die Innenschicht 5 aus dem synthetischen Quarzglas des ursprünglichen Innenrohres 3 gebildet ist.
An die Innenschicht 5 grenzt nach außen eine Zwischenschicht 6 aus porenhaltigem Quarzglas an, und daran eine Außenschicht 7 aus transparentem Quarzglas. Zwischenschicht 6 und Außenschicht 7 sind aus dem synthetischen SiO₂ der ursprünglichen Sootschicht 4 gebildet. Die Außenschicht 7 bildet einen vollständig dicht gesinterten Bereich der ursprünglichen Sootschicht 4, und die Zwischenschicht 6 einen nicht vollständig gesinterten, porenhaltigen Bereich der Sootschicht 4. Die Zwischenschicht weist eine mittlere Schichtstärke von etwa 5 mm und die Außenschicht eine mittlere Schichtstärke von etwa 61 mm auf. Der Außendurchmesser des zylinderförmigen Halbzeugs 1 beträgt demnach insgesamt etwa 202 mm.
Die Grenzfläche zwischen der Innenschicht 5 und der Zwischenschicht 6 ist als scharfer Übergang zwischen opakem und transparentem Quarzglas ohne weiteres erkennbar und definiert. Demgegenüber ergibt sich herstellungsbedingt zwischen der Außenschicht 7 und der Zwischenschicht 6 ein schmaler Übergangsbereich, in dem das Porenvolumen von Null auf 100% ansteigt. Als Grenze zwischen diesen Bereichen wird diejenige Linie definiert, bei der das Porenvolumen etwa 37% (1/e) des maximalen Porenvolumens (100%) beträgt, wie dies weiter unten anhand der 3 und 4 noch näher erläutert wird.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des in 2 dargestellten Halbzeugs beispielhaft erläutert.
Ein Hohlzylinder aus synthetischem Quarzglas, das im Handel unter der Bezeichnung „F 300” von der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG erhältlich ist, wird in einem Vertikal-Ziehprozess werkzeugfrei elongiert und daraus das Innenrohr 3 mit einem Außendurchmesser von 70 mm, einem Innendurchmesser von 50 mm und einer Wandstärke von 10 mm erhalten. Das Quarzglas des Innenrohres hat einen typischen Hydroxylgruppengehalt von weniger als 0,2 Gew.-ppm und einen Chlorgehalt von weniger als 2500 Gew.-ppm.
Auf dem Quarzglas-Innenrohr 3 wird durch OVD-Außenabscheidung die SiO₂-Sootschicht 4 erzeugt. Durch Flammenhydrolyse von SiCl₄ werden SiO₂-Partikel gebildet und auf dem Außenmantel des um seine Längsachse rotierenden Innenrohres 3 schichtweise abgeschieden, so dass auf dem Innenrohr 3 eine poröse SiO₂-Sootschicht 4 mit einer Schichtdicke von etwa 150 mm und mit einer relativen Dichte von 27% (bezogen auf die Dichte von undotiertem Quarzglas) gebildet wird.
Zur Reduzierung des Hydroxylgruppengehalts der Sootschicht 4 auf einen Wert von unter 0,5 Gew.-ppm wird das beschichtete Innenrohr 3 einer Dehydratationsbehandlung unterzogen, die eine 6-stündige Behandlung unter Stickstoff bei einer Temperatur von 900°C und eine anschließende Behandlung in chlorhaltiger Atmosphäre bei einer Temperatur 900°C über eine Dauer von 8 Stunden umfasst.
Anschließend wird die poröse SiO₂-Sootschicht 4 in einem vertikalen Zonensinterverfahren gesintert. Hierzu wird das mit der Sootschicht 4 versehene Innenrohr 3 in einen Vakuumofen eingebracht und unter Vakuum (Druck < 2 mbar) mit dem unteren Ende beginnend kontinuierlich und mit einer Zufuhrrate von 3 mm/min einer ortsfesten, ringförmigen, kurzen Heizzone zugeführt und dabei die Sootschicht 4 zonenweise von unten nach oben und gleichzeitig von außen nach innen gesintert. Die Temperatur in der Heizzone beträgt ca. 1.500°C.
Zufuhrrate und Temperatur sind so gewählt, dass die von außen nach innen wandernde Sinterfront eine vollkommen dicht gesinterte, transparenten Außenschicht 7 und eine weiter innen liegende und an die Innenschicht 5 angrenzende, opake Zwischenschicht 6 erzeugt, die nicht vollkommen dicht gesintert ist und die Vakuolen enthält. Der mittlere Durchmesser der Vakuolen beträgt etwa 1 μm und die relative Dichte der Zwischenschicht 6 liegt bei etwa 99% der Dichte von Quarzglas.
Die Schichtdicken von Außenschicht 7 und Zwischenschicht 6 werden durch das Sintern auf etwa 56 mm verringert, so dass sich ein Quarzglas-Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von etwa 202 mm ergibt.
Der Innendurchmesser und die Wandstärke der Innenschicht 4 des so erhaltenen Halbzeugs 1 entsprechen den Abmessungen des ursprünglichen Innenrohres 3.
Das Vermessen des Innendurchmessers über die gesamte Länge der Innenbohrung ergab eine maximale Abweichung vom Mittelwert und vom ursprünglichen Durchmesserwert von weniger als 0,2 mm.
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Übergangsbereich zwischen Außenschicht 7 und Zwischenschicht 6 beim erfindungsgemäßen Halbzeug 1. Die Vakuolen der Zwischenschicht 6 sind als schwarze Punkte erkennbar. Die mittlere Größe der Vakuolen liegt deutlich unterhalb von 2 μm. Vakuolen mit einem Durchmesser von mehr als 10 μm sind nicht vorhanden.
Im Diagramm von 3 ist schematisch das Porenvolumen V_p (in relativen Einheiten) im Übergangsbereich zwischen Außenschicht 7 und Zwischenschicht 6 gegen den Radius (r) des Halbzeugs 1 aufgetragen. Es zeigt sich, dass das Porenvolumen in einem relativ schmalen Bereich von Null auf den Maximalwert ansteigt, wie er auch in unmittelbarer Nähe zur Innenschicht 5 vorliegt. Als Grenzfläche zwischen Außenschicht 7 und Zwischenschicht 6 wird diejenige Linie „L” definiert, bei der das mittlere Porenvolumen einen Wert von 1/e erreicht hat.
Nach dem Verglasen wird das Halbzeug 1 gereinigt und dabei die Innenwandung in Flusssäure gesäuert, wobei von der Innenwandung 7 eine Schicht von etwa 30 μm abgeätzt wird. Das Halbzeug 1 wird anschließend in einem bekannten Stab-in-Rohr-Verfahren mit einem Kernstab versehen und zu einer Vorform elongiert. Die Poren der Zwischenschicht 6 kollabieren dabei vollständig, so dass daraus ein Bereich aus transparentem Quarzglas erhalten wird.
In einer alternativen Verfahrensweise wird anstelle eines Innenrohres 3 aus undotiertem Quarzglas ein Innenrohr aus einem Quarzglas eingesetzt, das mit etwa 3.500 Gew.-ppm Fluor dotiert ist. Ein derartiges Quarzglasrohr ist unter der Bezeichnung „F320” von der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG im Handel erhältlich. Das Innenrohr aus fluordotiertem Quarzglas wird so weiterverarbeitet, wie dies oben anhand des Ausführungsbeispiels erläutert ist.
Es wird ein rohrförmiges Halbzeug mit einem radial inhomogenen, stufenweisen Brechzahlverlauf erhalten, das sich insbesondere durch eine geometrisch präzise und maßhaltige Innenbohrung auszeichnet. Aus dem Halbzeug werden biegeunempfindliche optische Fasern hergestellt, indem es in einem Stab-in-Rohr-Verfahren mit einem Kernstab versehen und unmittelbar zu der optischen Faser elongiert wird. Dabei kollabieren die Poren der Zwischenschicht vollständig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6422042 A [0004]
- DE 10155134 C [0005]
- WO 2008/071759 A1 [0006]

Claims

Zylinderförmiges Halbzeug für die Herstellung einer optischen Faser, gekennzeichnet durch eine Innenschicht (5) aus transparentem, synthetischem Quarzglas, eine Zwischenschicht (6) aus Poren enthaltendem, synthetischem Quarzglas, und eine Außenschicht (7) aus transparentem, synthetischem Quarzglas.
Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren Vakuolen sind oder dass sie Wasserstoff oder Helium enthalten.
Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 5 μm, vorzugsweise einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 3 μm, aufweisen.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) eine mittlere Stärke von maximal 50 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 10 mm, aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (5) rohrförmig ausgebildet ist und eine mittlere Stärke im Bereich von 4 mm bis 25 mm und einen Innendurchmesser im Bereich von 30 bis 60 mm aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (7) eine mittlere Stärke im Bereich von 10 mm bis 150 mm aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht aus Quarzglas besteht, das im Bereich zwischen 1.000 und 15.000 Gew.-ppm Fluor enthält.
Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Halbzeugs aus synthetischem Quarzglas für die Herstellung einer optischen Faser, indem ein eine Außenwandung aufweisender Innenzylinder (3) aus synthetischem Quarzglas mit einer SiO₂-Sootschicht (4) umhüllt wird, und die SiO₂-Sootschicht (4) einer Sinterbehandlung unterzogen wird, bei der die SiO₂-Sootschicht (4) von außen erhitzt wird und dabei unter Bildung einer Außenschicht (7) aus transparentem Quarzglas eine Sinterzone von außen nach innen durch die SiO₂-Sootschicht (4) wandert, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterbehandlung unterbrochen wird, bevor die Sinterzone die Außenwandung des Innenzylinders (3) erreicht, so dass zwischen Außenschicht (7) und Innenzylinder-Außenwandung eine Zwischenschicht (6) aus Poren enthaltendem, synthetischem Quarzglas verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterbehandlung unter Unterdruck ausgeführt wird, und dass die Poren der Zwischenschicht (6) Vakuolen sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterbehandlung unter Wasserstoff oder Helium ausgeführt wird, und dass die Poren der Zwischenschicht (6) Wasserstoff oder Helium enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren mit einem mittleren Porendurchmesser von weniger als 5 μm, vorzugsweise mit einem mittleren Porendurchmesser von weniger als 3 μm, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Sootschicht (4) im Mittel eine relative Dichte (bezogen auf die Dichte von Quarzglas = 2,21 g/cm³) im Bereich von 25 bis 30% aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) mit einer mittleren Stärke von maximal 50 mm, vorzugsweise mit einer mittleren Stärke im Bereich zwischen 1 und 10 mm, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein rohrförmig ausgebildeter Innenzylinder (3) eingesetzt wird, der eine mittlere Wandstärke im Bereich von 4 mm bis 25 mm und einen Innendurchmesser im Bereich von 30 bis 60 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (7) mit einer mittleren Stärke im Bereich von 10 mm bis 150 mm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, da durch gekennzeichnet, dass ein Innenzylinder aus Quarzglas eingesetzt wird, das im Bereich zwischen 1.000 und 15.000 Gew.-ppm Fluor enthält.