DE2402270C2 - Verfahren zur Innenbeschichtung eines Quarzrohres und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Innenbeschichtung eines Quarzrohres, das insbesondere zur Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Innenbeschichtete Quarzrohre sind das Ausgangsprodukt zur Herstellung aus Quarz oder Quarzglas bestehender Lichtwellenleiter mit Mantel- und Kernbereichen. Zur Herstellung des Lichtwellenleiters wird das innenbeschichtete Quarzrohr erhitzt und sodann nach an sich bekannten Verfahren zu einer dünnen Faser ausgezogen.

Lichtwellenleiter werden als Übertragungsmedium in breitbandigen optischen Nachrichtenübertragungssystemen eine große Bedeutung erlangen. Für diese Anwendung ist es besonders wichtig, daß die Lichtwellenleiter möglichst geringe Obertragungsver'uste haben. Unerwünschte Obertragungsverluste eines Lichtwellenleiters werden unter anderem auch durch Verunreinigungen hervorgerufen, die während des Herstellungsvorgangs in das Lichtleitermaterial gelangen. Beispielsweise führen im Material des Lichtwellenleiters vorhandene Hydroxylionen (OH-) zu unerwünschten Absorptionsspitzen in dem Frequenzbereich, der über den Lichtwellenleiter übertragen werden soll. Weitere Schwierigkeiten entstehen häufig auch durch Lufteinschlüsse oder Verunreinigungen an den Grenzflächen von Kern- und Mantelbereichen, die sogenannte Lichtstreuungszentren bilden und das im Wellenleiter übertragene Licht unerwünscht streuen.

Bei der Herstellung von sehr dämpfungsarmen Lichtwellenleitern muß also dafür gesorgt werden, daß die für die Übertragungseigenschaften des Lichtwellenleiters abträglichen Verunreinigungen oder Störungen an den Grenzflächen so gering wie Köglich gehalten werden.

Es ist °in Verfahren zum fortlaufenden Herstellen von überfangenen Stäben und Röhren aus Glas (DE-PS 5 65 239) bekann», bei dem auf die Oberfläche der Glasschmelze, aus der der Stab oder das Rohr in bekannter Weise über einen senkrechten, in der Schmelze vorgesehenen, zweckmäßig gekühlten Dorn ausgehoben wird, in unmittelbarer Nähe der Erzeugungsstelle des Glasstabes oder -rohres zusätzliches Glas anderer chemischer oder physikalischer Beschaffenheit aufgebracht wird. Bei diesem Verfahren bildet die den Ziehdorn umgebende aus der Tiefe der Glasschmelze herausgezogene Geschieht den Kern des fertigen Stabes bzw. die Innenwandung des erzeugten Glasrohres. Die äußeren Schichten des Glasstabes oder -rohres bestehen dagegen aus dem Zusatzglas anderer Beschaffenheit von der Oberfläche der Glasschmelze in der Nähe der Erzeugungsstelle. Dieses Verfahren eignet sich nicht zur Innenbeschichtung eines Glasrohes, das als Ausgangsprodukt zur Herstellung eines Lichtwellenleiters vorgesehen ist, weil sich damit nicht die extremen Reinheitsforderungen erfüllen lassen und weil insbesondere bei diesem Verfahren nicht gewährleistet ist, daß zwischen Kern- und Mantelbereich des späteren Lichtwellenleiters ein zwar sehr geringer aber wohl definierter Brechungsindexunterschied eingehalten werden kann.

Bei einem weiteren Verfahren (DE-PS 8 03 122) zur maschinellen Herstellung eines stab- oder rohrförmigen Mehrschichtenkörpers aus Glas, einer glasähnlichen oder einer sonstigen in der Hitze plastischen Masse durch Ziehen aus einem flüssige Masse enthaltenden gegebenenfalls drehbaren Ziehtrog wird während des Ziehens auf die flüssige Masse im Ziehtrog eine flüssige Masse anderer Zusammensetzung und Eigenschaft kontinuierlich aufgebracht und durch den Ziehvorgang in die Entstehungsstelle des Stabes oder der Röhre und damit in die Wandung des Stabes oder der Röhre hineingezogen. Auch dieses Verfahren ist nicht geeignet zur Herstellung eines innenbeschichteten Quarzrohrs für die Herstellung eines Lichtwellenleiters, weil auch

hier die Möglichkeit zur Verunreinigung gegeben ist, und weil insbesondere keine deutliche Trennung zwischen Material des Mantel- und des Kernbereichs möglich ist

Aus der DE-OS 21 22 895 ist ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern mit einem Mantel und einem Kern unterschiedlicher Brechung bekannt, bei dem auf die Innenfläche ehies Glasrohres ein Film aus Kernglasmaterial mit einem von dem Glasrohr verschiedenen Brechungsindex aufgebracht wird. Das Aufbringen des Kemglasmaterials auf die Innenfläche des Glasrohrs erfolgt dabei nach dem an sich bekannten Verfahren der Flammenhydrolyse, bei dem trockener Sauerstoff zunächst durch eine Mischung von SiCU und TiCU geleitet wird und dann in einer brennenden Gas-Sauerstoff-Flamme zersetzt wird. Auf der Innenwand des Rohres bildet sich dabei eine Schicht aus S1O2 und TiOi. Wenngleich mit diesem Verfahren eine besonders saubere und gut haftende Grenzfläche zwischen dem Kernglas und dem Mantelglas geschaffen werden kann, ist dieses Verfahren jedoch sehr aufwendig. Durch den in einer Flamme stattfindenden Zersetzungsvorgang können überdies Verunreinigungen des aufzubringenden Kernglasbereiches nicht ausgeschlossen werden. Weiterhin entsteht zunächst eine relativ dicke Innenbeschichtung, die in einem weiteren Sinterungsprozeß auf das erforderliche Maß reduziert werden muß.

Aus der DE-OS 23 28 930 ist es weiterhin bekannt, ein auf der innenfläche zu beschichtendes Rohr während des Beschichtungsvorganges um seine Längsachse zu drehen. Gleichzeitig erfolgt in Achsrichtung eine Relativbewegung zwischen dem Rohr und einer Hochfrequenzspule, die als Wärmequelle dient

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Innenbeschichtung eines Quarzrohres anzugeben, durch das sehr reine Grenzflächen zwischen Innenbeschichtung und Innenwand des zu beschichteten Quarzrohres sowie auch eine sehr reine Innenbeschichtung selbst hergestellt werden können. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfshren zur Innenbeschichtung eines Quarzrohrs wird erreicht, daß die Innenbeschichtung frei von Verunreinigungen auf das Quarzrohr aufgebracht werden kann, und daß eine saubere und von Störungen freie Grenzschicht zwischen Mantel- und Kernbereich eines Lichtwellenleiters hergestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Anfang eines Beschichtungsvorgangs,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1 mit einem bereits teilweise innenbeschichtetem Quarzrohr.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Mit 1 ist ein durch ein strahlungsdurchlässiges Fenster 2 abgeschlossenes Schutzgefäß bezeichnet Innerhalb dieses Schutzgefäßes ist ein zur Innenbeschichtung bestimmtes Quarzrohr 3 durch in der Figur nictit im einzelnen dargestellte Halterungen derart gehaltert, daß es um seine Längsachse drehbar ist Das zur Innenbeschichtung des Quarzrohrc 3 bestimmte Material 5 ist konzentrisch zu diesem Quarzrohr 3 an einem Halterungsstab 4 derart befestigt, daß es in Richtung des mit 6 bezeichneten Doppelpfeils parallel zur Längsachse des Quarzrohrs 3 beweglich und gegebenenfalls um die Längsachse des Halterungsstabes 4 drehbar ist Die Mittel zur Drehung des Quarzrohrs 3 um seine Längsachse sowie die Mittel

ίο zur Drehung des Halterungsstabes 4 um seine Längsachse und zur Erzeugung seiner parallel zur Längsachse des Quarzrohrs 3 gerichteten Linearbewegung sind in F i g. 1 nicht im einzelnen dargestellt Es besteht die Möglichkeit diese Mittel im Inneren des Schutzgefäßes 1 anzuordnen; ohne Nachteile können diese Mittel jedoch auch außerhalb des Schutzgefäßes 1 angeordnet werden. Mit 7 ist ein außerhalb des Schutzgefäßes 1 befindlicher Laser bezeichnet, dessen Strahlung 8 durch das strahlungsdurchlässige Fenster 2 des Schutzgefäßes 1 hindurchtritt und auf das zur Beschichtung vorgesehene Material S.okussiert werden kann. Als Laser wird vorteilhaft ein im kontinuierlichen Betrieb arbeitender Kohlendioxidlaser großer Ausgangsleistung verwendet Die Fokussierung der Ausgangsstrahlung 8 des Lasers 7 auf das zur Beschichtung bestimn.'.e Mate.ial 5 im Innern des Schutzgefäß 1 kann durch an sich bekannte optische Anordnungen erfolgen, die ebenfalls in F i g. 1 nicht dargestellt sind. In Folge der großen Ausgangsleistung des Lasers 7 kommt es der

j« Betriebssicherheit der Vorrichtung zugute, wenn für die erforderliche Fokussierung der Ausgangsstrahlung relativ einfache optische Bauelemente verwendet werden. Da sich nun aber im Verlauf des Beschichtungsvorgangs das zur Beschichtung des Quarzrohrs 3

j-, bestimmte Material 5 entlang der Längsachse des Quarzrohrs 3 bewegt, wird, wie nachfolgend noch genauer erläutert, der Laser selbst dieser Bewegung nachgeführt, um die Fokussierung der Ausgangsstrahlung auf das Beschichtungsmaterial 5 sicherzustellen.

Vor Beginn eines Beschichtungsvorgangs werden ein Quarzrohr 3, dessen Innenwandung 10 beschichtet wer Jen soll, sowie das Beschichtungsmaterial 5, in der in Fig. 1 dargestellten Lage im Innern des Schutzgefäßes 1 befestigt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll ein Ausgangsprodukt zur Herstellung eines Lichtwellenleiters erzeugt werden; dieses Ausgangsprodukt hat die Form eines innenbeschichteten Rohrs. Aus dem Quarzrohr 3 wird also später beispielsweise der Mantelbereich eines Lichtwellenleiters, während die aus

•jo dem Material 5 entstehende Innenbeschichtung zum Kernbereich des Wellenleiters ausgezogen wird. Quarzrohr 3 und Beschichtungsmaterial 5 bestehen deshalb aus dem für diese Verwendung erforderlichen Material, in-.beijndere ist der Brechungsindex des Quarzrohrs 3

Ϊ5 und des Beschichtungsmaterials 5 bereits im Hinblick auf den später herzustellenden Lichtwellenlei-er aufeinander abgestimmt.

Nach Anordnung des Quarzrohrs 3 sowie des Beschichtungsmaierials 5 im Inneren des Schutzgefäßes

w 1 kann dieses Schutzgefäß durch geeignete Mittel bis auf einen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens günstigen geringen Druck evakuiert werden; andererseits besteht die Möglichkeit, dieses Schutzgefäß mit einem geeigneten Schutzgas, gegebe-

r. ncnfalls pi'ch unter einem gegenüber dem Außendruck verminderten Druck zu füllen.

Durch geeignete Mittel, beispielsweise einen Elektromotor, der die Halterung des Quarzrohrs 3 antreibt,

wird dieses Quarzrohr 3 in Umdrehungen um seine Längsachse versetzt. Um eine möglichst gleichmäßige Dicke der Innenbeschichtung zu erreichen, muß dafür gesorgt werden, daß diese Drehbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit erfolgt. Das am Halterungsstab 4 befestigte Beschichtungsmittel 5 kann parallel zur Längsachse des Quarzrohres 3 verschoben werden; weiterhin kann dafür gesorgt werden, daß auch eine Rotationsbewegung um die Längsachse des Halterungsstabes 4 durchgeführt werden kann. Die auf das Beschichtungsmaterial 5 fokussierte Ausgangsstrahlung 8 des Lasers 7 erhitzt das Beschichtungsmaterial so stark, daß dieses verdampft und sich dann bevorzugt auf der Innenwandung 10 des Quarzrohrs 3 in einer dünnen Schicht niederschlägt. Durch Abstimmung der Rotationsbewegung des Quarzrohrs 3 mit der Translationsbewegung des am Halterungsstab befestigten Beschichtungsmittel 5 kann eine gewünschte Dicke der Innenbeschichtung hergestellt werden. Um eine möglichst homogene Beschichtung zu erzeugen, muß ebenfalls dafür gesorgt werden, daß das Beschichtungsmaterial 5 möglichst gleichförmig entlang der Längsachse des Quarzrohrs 3 bewegt wird. Wie schon zuvor erwähnt, kann der leicht beweglich angeordnete Laser 7 mit der Bewegung des Halterungsstabes 4 gekoppelt werden, so daß die Ausgangsstrahlung 8 des Lasers stets optimal auf das Beschichtungsmaterial 5 fokussiert ist. Auf diese Weise können sehr teure optische Bauelemente eingespart werden, die andererseits bei festgehr.;;:.·- ner Laserpositon für die Fokussierung der Laser.'.rahlung auf das sich entlang der Längsachse des Qua. zrohrs 3 bewegende Beschichtungsmaterial 5 erforderlich wären.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Vorrichiung nach F i g. 1 dargestellt, wobei das Quarzrohr 3 schon j teilweise mit einer Innenbeschichtung 9 versehen ist. Durch Fortsetzung des Verfahrens läßt sich auch die ganze übrige Innenfläche 10 des Quarz^rohrs 3 noch mit dieser Innenbeschichtung versehen.

Um sicherzustellen, daß die Innenbeschichtung mit 4 der gewünschten Dicke hergestellt wird, kann die Dicke der Schicht 9 während des Beschichtungsvorgangs nach an sich bekannten Verfahren laufend gemessen werden. Es zeichnet sich dabei die Möglichkeit ab, die T""ans!ationsbewegung des Halterungsstabes 4 in 4 Abhängigkeit von einer laufenden Schichtdickenmessung zu beeinflussen, um eine möglichst gleichmäßige Schichtdicke zu erhalten. Das kann unter Umständen vorteilhaft sein, wenn mit einer ungleichmäßigen Verdampfungsrate des als Innenbeschichtung vorgese- ,< henen Materials 5 gerechnet werden muß. Eine fortlaufende Dickenmessung während des Beschichtungsverfahrens erfordert naturgemäß einen höheren Aufwand und verteuert das Beschichtungsverfahren.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, während des Beschichtungsverfahrens auf eine Dickenmessung der erzeugten Innenbeschichtung zu verzichten. Voraussetzung dafür ist aber, daß empirisch ermittelt wird, , welcher Zusammenhang zwischen der Dicke der erzeugten Innenbeschichtung und der Vorschubgeschwindigkeit des Halterungsstabes 4, der das Beschichtungsmaterial 5 trägt, besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ohne ι Schwierigkeiten auch zur Innenbeschichtung eines Quarzrohr mit einer Mehrzahl von Schichten erweitern, wobei die einzelnen Schichten durchaus unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise einen in geringem Maße voneinander abweichenden Brechungsindex, , haben können. Um auch geringste Verunreinigungen zu verhindern, wäre es dazu besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung nur einmal, nämlich zu Anfang des Beschichtungsverfahrens mit den zur Innenbeschichtung erforderlichen Materialien beschickt ι werden müßte. Dies läßt sich, um ein Beispiel für zwei aufzutragende Schichten zu nennen, dadurch realisieren, daß das Beschichtungsmaterial 5 aus einem inhomogenen Körper besteht, der aus den beiden Beschichtungsiubstanzen zusammengesetzt ist.

Zum Aufbringen der ersten Beschichtung wird die Ausgangsstrahlung des Lasers zunächst auf das erste Beschichtungsmaterial fokussiert. Dabei ist das für die zweite Peschichtung bestimmte Beschichtungsmaterial durch eine vorteilhaft von außerhalb des Schutzgefäßes bedienbare Blende derart abzudecken, daß sich Material der ersten Beschichtungsschicht nicht auf diesem zweiten Material niederschlagen kann. Nach Fertigstellung der ersten Innenbeschichtung wird die Blende vom zweiten Beschichtungsmaterial entfernt und dieses Material der Laserstrahlung ausgesetzt. Analog zur Abscheidung der ersten Beschichtungsschicht wird sodann eine zweite Beschichtungsschicht auf der Innenwandung des Quarzrohrs 3 erzeugt.

Mit der Erfindung lassen sich Innenbeschichtungen und Grenzflächen zwischen den Innenbeschichtungen und zwischen den Beschichtungen und der Rohrwand erzeugen, die sich durch äußerst geringe Verunreinigungen auszeichnen, weil dafür gesorgt ist, daß während des Beschichtungsvorgangs keine Verunreinigungsquellen wirksam werden können. Unter der Voraussetzung, daß auch für die Ausgangssubstanzen, die zur Beschichtung verwendet werden, nur hochreines Material verwendet wird, lassen sich nach diesem Verfahren Beschichtungen erzeugen, deren Qualität durch bisher bekannte Verfahren nicht erreichbar ist. Eine derartig hochwertige Schichtbeschaffenheit bei diesem Ausgangsprr iukt zur Herstellung von Lichtleitfasern ist aber unbedingt Voraussetzung zur Herstellung von Lichtleitfasern mit sehr geringen Übertragungsverlusten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Innenbeschichtung eines Quarzrohres, das insbesondere zur Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Quarzrohr um seine Längsachse drehbar im Inneren eines gasdicht verschließbaren Schutzgefäßes angeordnet wird, daß zur Innenbeschichtung vorgesehenes Material konzentrisch im Inneren des zu beschichtenden Quarzrohres und parallel zu dessen Längsachse verschiebbar angeordnet wird, daß durch ein strahlungsdurchlässiges Fenster des Schutzgefäßes das zur Innenbeschichtung vorgesehene Material mit einer darauf fokussierten Strahlung eines außerhalb des Schutzgefäßes angeordneten Lasers beaufschlagt wird, während das zu beschichtende Quarzrohr mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um seine Längsachse rotiert und das zur Innenbeschichtung vorgesehene Material paral-IeI zur Längsachse des zu beschichtenden Quarzrohrs bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgefäß nach Einbringen des zu beschichtenden Quarzrohrs und des Beschichtungsmaterials vor Beginn des Beschichtungsvorgangs evakuiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Innenbeschichtung eines Quarzrohres, das insbesondere zur Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dal; die Vorrichtung aus einem Schutzgefäß (1) zur Aufnahme der zu beschichtenden Quarzrohres (3) sowie des zur Innenbeschichtung vorgesehenen Materials (5) besaht, mit Halterungs- j5 mitteln, die einerseits eine Rotation des Quarzrohrs (3) um seine Längsachse, andererseits eine Anordnung des Beschichtungsmaterials (5) konzentrisch zum Quarzrohr (3) und parallel zu dessen Längsachse beweglich, sowie wahlweise zusätzlich drehbar, ermöglichen, daß das Schutzgefäß (1) mit einem strahlungsdurchlässigem Fenster (2) abgeschlossen ist, und daß außerhalb des Schutzgefäßes ein Laser (7) angeordnet ist, dessen Strahlung (8) durch das strahlungsdurchiässige Fenster (2) auf das im Schutzgefäß (1) angeordnete Beschich tungsmaterial (5) fokussierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (7) parallel zur Längsachse des Quarzrohrs (3) beweglich angeordnet ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die den Laser (7) während des Beschichtungsvorgangs der parallel zur Längsachse des Quarzrohrs (3) verlaufenden Bewegung des Beschichtungsmaterials (5) derart nachführen, daß die Strahlung (8) des Lasers (7) stets auf das Beschichtungsmateria'iS) fokussiert ist.