DE2715333A1

DE2715333A1 - Verfahren zur herstellung von vorformlingen fuer optische fasern

Info

Publication number: DE2715333A1
Application number: DE19772715333
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Hanawa; Tatsuo Izawa; Tadashi Miyashita
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1976-04-06
Filing date: 1977-04-06
Publication date: 1977-10-13
Also published as: GB1580152A; CA1091928A; DE2715333C3; FR2347317B1; NL181500B; US4062665A; JPS52121341A; NL7703812A; FR2347317A1; NL181500C; IT1113545B; DE2715333B2; JPS5435217B2

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH . BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2 ' 15333

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Beschreibung:

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für optische Fasern, aus dem optische Fasern erhalten werden, welche als Übertragungsleitung für optische Kommunikation brauchbar sind; insbesondere betrifft die Erfindung ein kontinuierliches Verfahren für die Herstellung solcher Vorformlinge für optische Fasern.

Die bei der optischen Kommunikation benutzte Übertragungsleitung
wird im Rahmen dieser Unterlagen als optische Faser bezeichnet. Diese Übertragungsleitung stellt ein fadenförmiges Gebilde dar, das üblicherweise aus transparentem Glas hergestellt wird. Zu deren Bereitstellung wird ein großer Glasstab hergestellt, der hinsichtlich seiner Querschnittsstruktur mit der optischen Faser übereinstimmt; anschließend wird dieser Glasstab zu der optischen Faser ausgezogen. Dieser Glasstab wird im Rahmen dieser Unterlagen als Vorformling für optische Fasern bezeichnet.

Da mit der optischen Faser ein optisches Signal über eine Entfernung τοπ mehreren Kilometern oder mehr übertragen wird, muß sorgfältig auf die Maßnahmen zu deren Herstellung und auf deren Qualität geachtet
werden. Bei einer üblichen optischen Faser wird der Hauptanteil des

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H.P. Brehm Oipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Lichtes im zentralen Kern der optischen Faser übertragen, welcher einen hohen Brechungsindex aufweist; darüberhinaus wird lediglich ein sehr kleiner Anteil des Lichtes in der den Kern umgebenden Ummantelung übertragen, deren Brechungsindex kleiner ist, als der Index des Kernes. Je größer die Differenz der Brechungsindizes zwischen Kern und Ummantelung ist, umso stärker kann der Lichttransport auf den Kern beschränkt werden; weiterhin ist der Lichtanteil, der durch Abbiegen der Faser entweichen kann, gering. Mit einem Anstieg des Unterschiedes zwischen den Brechungsindizes steigt ebenfalls der Unterschied der Lichtfortpflanzungsgeschwindigkeit zwischen dem Licht, das hauptsächlich im Kern und dem Licht, das hauptsächlich in der Ummantelung transportiert wird, an; weiterhin dehnt sich ein Lichtimpuls, der an einem Ende der optischen Faser aufgegeben wird, im Verlauf der Übertragung aus, so daß Schwierigkeiten bei der Übertragung eines Signals aus optischen Impulsen mit hoher Bitanzahl auftreten. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Bandbreite des Grundbandsignals, das durch die optische Faser übertragen werden kann, wird schmal. Vom physikalischen Standpunkt her betrachtet, läßt sich das durch die optische Faser übertragene Licht als Moden mit entsprechenden elektromagnetischen Eigenschaften ausdrücken, nämlich mit entsprechender Wanderungskonstante und einem entsprechenden Profil des elektromagnetischen Feldes; da die entsprechenden Lichtsorten aus den entsprechenden Moden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten übertragen werden, tritt eine Ausdehnung bzw. Erweiterung der Impulsbreite auf.

In der Fachwelt sind zwei Vorschläge zur Lösung dieser Schwierigkeit bekannt. Ein Verfahren besteht darin, die Struktur der optischer. Faser

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zu verändern, so daß die Lichtsorten aus entsprechenden Moden mit gleicher Geschwindigkeit übertragen werden. Sine hierfür geeignete, konkrete Struktur wird im einzelnen mit der US-Patentschrift 3 614 197 beschrieben; weiterhin wird in diesem Zusammenhang auf den Beitrag "An Optical Waveguide with the Optimum Distribution of the Refractive Index with Reference to Waveform Distribution", von Shojiro Kawakami und Junichi Nishizawa, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Band MTT16, Nr. 10, Seiten 814-818, vom Oktober 1968 verwiesen. Das bedeutet, im Querschnitt der optischen Paser wird ein solches Profil des Brechungsindex vorgesehen, daß der Brechungsindex vom Mittelpunkt der optischen Paser in radialer Richtung im wesentlichen entsprechend der nachfolgenden Gleichung abnimmt :

(r)

wobei (J eine Konstante mit einem Wert von 2/3 bis 1 darstellt, η~ den Brechungsindex im Zentrum der optischen Faser bedeutet und R für den Radius der optischen Faser steht.

Bei der Übertragung des Lioden durch die optische Faser mit einem solchen Brechungsindexprofil ist die Verbreiterung des Lichtimpulses sehr klein, da die Übertragungsgeschwindigkeit der entsprechenden ',ioden in wesentlichen die gleiche ist. Sine optische Faser mit einer solchen Struktur wird als optische Faser mit allmählich übergehendem Index (graded index type optical fiber) bezeichnet.

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Ein anderes Verfahren zur Verminderung der Geschwindigkeitsverteilung besteht darin, die Anzahl der übertragenen Moden zu vermindern. Die einfachste Form dieser Struktur liegt dann vor, wenn die Übertragung lediglich in einer einzigen Mode erfolgt.

Die Anforderungen an die Übertragung lediglich einer einzigen Mode sind in dem Beitrag "Fiber Optics-Principles and Applications", von N. S. Kapany, Academic Press (1967) dargelegt. Damit diese Anforderungen erfüllt sind, muß die optische Faser eine Struktur aufweisen, welche den nachfolgenden Bedingungen genügt:

Tl 2 1 2

wobei a für den Radius des Kernes, TI für die Wellenlänge des übertragenen Lichtes, n. für den Brechungsindex des Kerns und n„ für den Brechungsindex der Ummantelung steht. Sofern R einen Wert von kleiner als 2,405 aufweist, wird lediglich eine Mode übertragen, so daß die Impulsverbreiterung sehr gering ist. Die mit dieser Maßgabe hergestellte optische Faser weist an der Grenzfläche zwischen dem zentralen Abschnitt mit hohem Brechungsindex und der Ummantelung mit niedrigem Brechungsindex einen abrupten Wechsel des Brechungsindex auf; diese Sorte von optischen Fasern wird als optische Faser mit abgestuftem Index (step index type optical fiber) bezeichnet.

Unabhängig davon, ob nun optische Fasern mit allmählich übergehendem Index oder optische Fasern mit abgestuftem Index angestrebt werden, so ist es in jedem Falle erforderlich, daß die Fasern die angestrebte

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Struktur aufweisen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, einen Vorformling für optische Pasern herzustellen, der exakt die Strukturanforderungen erfüllt, welche an die daraus erhaltenen optischen Fasern gestellt werden.

Übliche Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen für optische Fasern werden mit den US-Patentschriften 3 737 292 und 3 823 995 offenbart. Bei diesen bekannten Verfahren wird ein im wesentlichen zylindrisches Anfangsglied hergestellt, und die mittels Flammenhydrolyse au3 Glasausgangsmaterialien erzeugten feinen Glasteilchen werden in Schichten auf dem gesamten Bereich der Umfangfläche des Anfangs- gliedes aufgebracht. Anschließend werden die aufgebrachten Schichten aus feinen Glasteilchen zur Glasbildung in einen Hochtemperaturofen gebracht, und danach das Anfangs-glied entfernt; zur Ausbildung eines Vorformlings mit einem festen Querschnitt werden lediglich die aufgebrachten Glasschichten so lange erhitzt, bis der hohle Raum kollabiert. Sofern bei diesem Verfahren die Bestandteile der obengenannten Schichten jeweils dahingehend ausgewählt werden, daß sie sich etwas von den Bestandteilen der innersten Schicht unterscheiden, kann ein Vorformling für optische Fasern mit allmählich übergehendem Index erhalten werden. Werden andererseits eine Anzahl von Schichten mit konstanter Dicke für den Kern mit hohem Brechungsindex auf dem Anfangs-glied niedergeschlagen und darauf eine Anzahl von Schichten für die Ummantelung mit niedrigem Brechungsindex auf dem Kern niedergeschlagen, so kann ein Vorformling für optische Fasern mit abgestuftem Index erhalten werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Schichten werden auf dem Anfangsglied eine nach der anderen aufgebracht, wobei die Konzentration an Dotierungsmittel

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aur Regelung des Brechungsindex für jede Schicht geändert wird.

Daβ obengenannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß dabei ein poröser Niederschlag aus feinen Glasteilchen auf einem festen Anfangsglied gebildet wird, welcher durch sehr kleine Temperaturänderungen zerbrochen werden kann, bzw. Risse erhält; dies beruht auf den Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Dichteunterschieden zwischen dem Anfangsglied und dem aufgebrachten Niederschlag. Mit diesem Verfahren läßt sich jedoch die Herstellung von großen Formungen für optische Pasern leichter durchführen, als nach anderen üblichen Verfahren, wie sie z.B. in der US-Patentschrift 3 737 293 angegeben sind.

Nach dem zuletzt genannten Verfahren wird ein Quarzrohr bereitgestellt, eine Anzahl von Glasschichten mit niedrigem Brechungsindex auf der Innenfläche des Quarzrohres aufgebracht, und daraufhin eine Anzahl von Glasschichten mit hohem Brechungsindex auf den Schichten mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht, und schließlich die zusammengesetzte Struktur kollabiert, um schließlich eine feste Struktur mit entsprechendem Brechungsindexprofil zum Zentrum hin zu erhalten. Dieees Verfahren weist den Nachteil auf, daß Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Vorformlinge für optische Fasern auftreten.

Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren für die Herstellung von Vorforalingen von optischen Fasern anzugeben, das die Bereitstellung von Vorformlingen für optische Fasern mit den angestrebten Eigenschaften auf

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einfachem und kontinuierlichem Wege ermöglicht, selbst wenn diese Vorformlinge groß und lang sind.

Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Vorformlingen für optische Fasern angegeben werden, das hohe Produktivität gewährleistet.

Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Vorformlingen für optische Fasern angegeben werden, gemäß dem ausgezeichnete Vorformlinge für optische Fasern erhalten werden, wobei diese Vorformlinge durch Aufbringen von feinen Glasteilchen auf dem Kern erhalten werden, so daß der Vorformling frei ist von Fremdsubstanzen, wie etwa Materialien aus dem Anfangsglied und dergleichen; weiterhin soll der Vorformling thermisch beständig sein, mechanische Festigkeit aufweisen und gegen Rißbildung oder Zerbrechen beständig sein.

Schließlich soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Vorformlingen für optische Fasern angegeben werden, das die Entfernung des Anfangsgliedes nicht vorsieht, und das aus einfachen Herstellungsschritten besteht.

Gemäß dieser Erfindung werden die feinen Glasteilchen mit einem räumlichen Zusammensetzungsprofil auf dem Anfangsglied in dessen Längsrichtung aufgebracht und dabei in kontinuierlicher Arbeitsweise ein Vorformling für optische Fasern erzeugt; dies unterscheidet sich von den üblichen Verfahren, bei denen die Zusammensetzung der feinen Glas-

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teilchen im Verlauf der Aufbringung zeitabhängig geändert wird. Das bedeutet, beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein hochschmelzendes Anfangsglied gedreht und zugleich längs seiner Drehachse bewegt. Ein Glasausgangsmaterial für die Bildung des Kerne des Vorformlings wird aus einer Düse ausgestoßen, die gegenüber dem RotationsZentrum einer Endfläche des Anfangsgliedes angeordnet ist. Das Glasausgangsmaterial wird dazu gebracht, in der Hochtemperaturzone nahe der Spitze eines Hochtemperaturbrenners zu reagieren, um feine Glasteilchen zu erzeugen, die hauptsächlich aus Siliziumdioxid bestehen. Die feinen Glasteilchen werden auf dem zentralen Abschnitt einer Endfläche des Anfangsgliedes in dessen axialer Richtung aufgebracht, um einen porösen Kern zu bilden. Wenigstens eine Düse zum Versprühen von Glasausgangsmaterial für die Bildung der Ummantelung des Vorformlings ist z.B. gegenüber der Endfläche des Anfangsgliedes, jedoch geringfügig seitlich zum Rotationszentrum versetzt angeordnet. Das aus dieser Düse ausgestoßene Glasausgangsmaterial wird der Hochtemperatürζone zugeführt, um feine Glasteilchen zu erzeugen, die hauptsächlich aus Siliziumdioxid bestehen. Die dabei gebildeten feinen Glasteilchen werden auf der Endfläche des Anfangsgliedes in dessen axialer Richtung an der Außenseite des porösen Kerns aufgebracht, wodurch eine poröse Ummantelung gebildet wird. Alternativ dazu ist die Düse für die Ummantelung nahe an der Umfangsfläche des bewegten porösen Kerns angeordnet, um die feinen Glasteilchen aus der Düse auf der Umfangfläche des porösen Kerns aufzubringen, um darauf eine poröse Ummantelung zu bilden. Der dabei erhaltene poröse Vorformling, der aus dem Kern und der darauf aufgebrachten Ummantelung besteht, wird einem Hochtemperaturofen zugeführt, welcher in der Bewegungsrichtung des Anfangsgliedes

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angeordnet ist, um die Glasbildung durchzuführen, so daß ein transparenter Vorformling für optische Fasern erhalten wird. Auf diese Weise wird der Vorformling für optische Fasern kontinuierlich erhalten. Sofern eine Anzahl von Düsen für die Ummantelung gegenüber der Endfläche des Anfangsgliedes angeordnet ist, sind dieee Düsen symmetrisch mit Bezug auf die Düse für den Kern angeordnet; und jeweils zwei Düsen, die symmetrisch hinsichtlich der Düse für den Kern angeordnet sind, werden mit einem Glasausgangsmaterial aus den gleichen Bestandteilen beschickt. Die diesen Düsen zugeführten Glasausgangsmaterialien werden dahingehend ausgewählt, daß der Brechungsindex des erhaltenen Glases geringer wird, je weiter die äußerste Düse von der Düse für den Kern entfernt ist. Die Düse für den Kern, sowie die Düsen für die Ummantelung können in unterschiedlichen Eochtemperaturbrennern untergebracht sein; andererseits können die Düsen auch in einem einzigen üblichen Hochtemperaturbrenner untergebracht sein. Sofern eine Anzahl von Düsen für die Ummantelung gegenüber der Umfangsflache des porösen Kerns angeordnet ist, werden diesen Düsen die Glasausgangsmaterialien mit der Maßgabe zugeführt, daß der Brechungsindex des erhaltenen Glases abnimmt, wenn der Hochtemperaturofen erreicht wird. Diese Düsen können in einem üblichen Sochtemperaturbrenner untergebracht sein; oder diese Düsen können in getrennten Hochtemperaturbrennern untergebracht sein. Es ist ebenfalls möglich, eine der Düsen für die Ummantelung gegenüber der Endfläche des Anfangsgliedes anzuordnen, und die anderen Düsen für die Ummantelung gegenüber der Umfangfläche des porösen Kerns anzuordnen. In diesem Falle werden die der zuletzt genannten Düse zugeführten Glasausgangsmaterialien dahingehend ausgewählt, daß ein Glas mit geringerem Brechungsindex erhalten wird,

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als bei dem Glasausgangsmaterial, das der zuerst genannten Düse zugeführt wird. Der Durchmesser des porösen Kerns kann dadurch konstant gehalten werden, daß ein Schneidwerkzeug in Berührung mit der Umfangsfläche des porösen Kerns gebracht wird. Durch ein inertes Gas, das von der Randkante des Hochtemperaturbrenners in Schichten in Richtung der Drehachse strömt, können die feinen Glasteilchen wirksam auf der Endfläche des Anfangsgliedes aufgebracht werden, ohne daß es zu einer Divergenz kommt. Weiterhin wird die Stellung der Wachstumsendflache des porösen Yorformlinge beobachtet, um ein Ausgangssignal für die festgestellte Stellung zu erhalten, mittels dem die Bewegungsgeschwindigkeit des Anfangsgliedes geregelt wird, um die Wachstumsendfläche in einer konstanten Stellung zu halten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen auch fünf Blatt Abbildungen mit den Figuren 1 bis 9; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung eines Vorfornlings für optische Fasern;

Fig. 2A eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines Sauerstoff-Wasserstoff-Brenners mit Sprühdüsen für das Glasausgangsmaterial;

Fig. 2B eine Draufsicht auf eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Brenners;

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Fig. 2C eine Draufsicht zur Erläuterung der einfachsten Ausführungsform eines Sauerstoff-Wasserstoff-Brenners mit Sprühdüsen für das Glasausgangsmaterial;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Ausführung eines Plasmabrenners mit Sprühdüsen für das Glasausgangsmaterial;

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. des Brechungsindex von der Dotierungsmittelkonzentration eines entsprechenden Glases;

Fig. 5 in Form einer graphischen Darstellung das Brechungsindexprofil in Richtung des Durchmessers eines erfindungsgemäß hergestellten Vorformlings für optische Fasern;

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Frequenzverluste des Vorformlings für optische Fasern;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung eines Vorformlings für optische Fasern;

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Ausführung der Mittel zur Regelung der Wachs-

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- tumsendflache des porösen Vorformlings und um diese Endfläche in einer konstanten Stellung zu halten; und

Figuren 9A und 9B die Interferenzstreifen von Schwankungen des Brechungsindex des Vorformlings für optische Fasern, welche mit einem Interferenzmikroskop gemessen wurden.

Wie mit Fig. 1 dargestellt, besteht ein gasdichtes Gefäß 1 aus einem zylindrischen Gefäß, etwa aus Hartglas und Platten aus rostfreiem Stahl, die mit einem korrosionsbeständigen Schutzanstrich versehen sind, und die beiden Enden des zylindrischen Gefäßes bedecken; in einer Hochteiaperaturzone des Flammenhydrolyse-Brenners 12 werden feine Glasteilchen 11 erzeugt und in der Form eines Stabes auf einer Endfläche des hochschmelzenden Anfangsgliedes oder des Kerns 13 aufgebracht, der nahe am Brenner 12 angeordnet ist; dadurch wird ein poröser Vorformling 14 gebildet« Aus (nicht dargestellten) Quellen wird dem Brenner 12 über geeignete Kittel wie etwa die Leitungen 13 gasförmiger Sauerstoff und gasförmiger Wasserstoff oder ein anderes brenn* bares Gas zugeführt. Das Gemisch wird in dem Brenner 12 verbrannt, und solche Reaktionsbedingungen vorgesehen, daß die in die Flammen gesprühten Glasausgangsmaterialien, bzw. Glasrohmaterialien eine Glassynthesereaktion durchführen.

In den Behältern 20, 21 und 22 sind vorgegebene Mengen an flüssigen Gemischen 23» 24 und 25 enthalten, welche im Ergebnis den porösen Vorformling 14 ergeben. Die flüssigen Gemische 23» 24 und 23 werden in Form von Dämpfen, hervorgerufen von ihren eigenen Dampfdrucken, aus

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den Behältern 20, 21 und 22 durch die Regelventile 26, 27, 28 und 29 und die Strömungsmesser 30, 31» 32 und 33 dem Brenner 12 zugeführt. Die an den Durchflußmeßgeräten 30 bis 33 abgelesenen Werte der Durchflußmengen werden den entsprechenden RegeIschaltkreisen 34» 35» 36 und 37 zugeführt und ergeben eine Rückkopplung für die Motore zur Einstellung der Ventile, um die Regelventile 26 bis 29 entsprechend zu steuern, wodurch zu allen Zeiten das Einströmen von konstanten Mengen der Ausgangsmaterialien in den Brenner 12 gewährleistet wird. Sofern die Strömung der flüssigen Gemische zu klein ist, kann die Zuführung eines geeigneten gasförmigen Mediums, wie z.B. Argon, Sauerstoff oder Wasserstoff in den Behälter über die Leitung 53 vorgesehen sein, um den Dampf der entsprechenden Flüssigkeit mit dem obengenannten Gas dem Brenner 12 zuzuführen.

Die Behälter 20, 21 und 22 befinden sich in entsprechenden Bädern 40, 41 und 42, die jeweils auf konstanter Temperatur gehalten werden, um die flüssigen Gemische 23» 24 und 25 auf den vorgesehenen Temperaturen zu halten, um den jeweiligen Dampfdruck konstant zu halten.

Sofern die vorgesehenen Temperaturen der flüssigen Gemische oberhalb von Raumtemperatur liegen, werden die Zuführleitungen zu dem Brenner mittels der Heizeinrichtung 43 erwärmt, um diese Leitungen oberhalb der Temperatur der flüssigen Gemische zu halten, so daß eine Kondensation der Dämpfe dieser Gemische verhindert wird.

in dem Behälter 20 enthaltene flüssige Gemisch 23 besteht aus einem Material, das im Ergebnis Siliziumdioxid bildet« was den Hauptbestand-

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teil des porösen Vorformlinge darstellt; die in den Behältern 24 und 25 enthaltenen flüssigen Gemische bzw. Zusammensetzungen stellen eolohe Materialien dar, die im Ergebnis den Brechungsindex des porösen Vorformlings relativ anzuheben oder abzusenken vermögen. Die vermischten Dämpfe der flüssigen Zusammensetzungen 23 und 24 werden dem Brenner 12 über eine Leitung 51 zugeführt und von der zentral angeordneten Düse 71 in die Flammen des Brenners 12 geblasen; diese zentral angeordnete Düse 71 ist zur Erzeugung des Kerns des porösen Vorformlings 14 bestimmt. In gleicher Weise werden die vermischten Dämpfe der flüssigen Zusammensetzungen 23 und 25 über eine Leitung 52 dem Brenner 12 zugeführt und über die Düsen 72 in die Flammen dea Brenners 12 geblasen; die Düsen 72 sind an beiden Seiten der Düse 71 angeordnet und zur Erzeugung der Ummantelung des porösen Vorformlings 14 bestimmt. Die auf diese Weise in die Flammen des Brenners 12 geblasenen vermischten Dämpfe werden hydrolysiert und bilden die feinen Glasteilchen 11. Die Düse 71 ist gegenüber dem Mittelpunkt der Endfläche des Anfangsgliedes 13 angeordnet. Der erhaltene Strom aus feinen Glasteilchen 11 ist auf eine Endfläche des Anfangsgliedes 13 gerichtet.

Das Anfangsglied 13 wird in axialer Richtung bewegt, während es um seine Achse gedreht wird. Z.B. ist nahe an dem gasdichten Gefäß 1 ein Halterahmen 2 angebracht, der parallel zu den Gefäß 1 ausgerichtet ist. Zu dem Halterahmen 2 gehört ein Motor 3» der fest am unteren Ende in der Mitte des Halterahmens angebracht ist, und eine Spindel 4> welche mit der drehenden Welle des Kotors 3 verbunden ist. Parallel zur Spindel 4 sind zwei Führungsstangen 5 und 6 fest mit dem Halterahmen 2 verbunden und auf beiden Seiten der Spindel 4 angeordnet. Die Spindel 4

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wird in eine mit Gewinde versehene Öffnung am oberen Ende einer Halteplatte 7 geschraubt; weiterhin reichen die Führungsstäbe 5 und 6 durch entsprechende durchgehende Öffnungen in der Halteplatte 7 hindurch. Das Anfangsglied 13 erstreckt sich durch eine öffnung in der Halteplatte 7 nach oben. Auf der Halteplatte 7 iet rund um das Anfangsglied 13 ein Spannfutter 8 fest angebracht; weiterhin liegt das Spannfutter 8 an der Halteplatte 7 ^i so daß das Anfangsglied 13 mit einer nach oben gerichteten Verschiebung der Halteplatte 7 angehoben wird. Auf der Halteplatte 7 ist ein Motor 9 fest angebracht; an der drehenden T7elle des Motors 9 ist ein Zahnkranz 10 angebracht, der in einen Zahnkranz 19 am Umfang des Spannfutters 3 eingreift, um das Anfangsglied 13 in Richtung des Pfeiles 18 zu drehen.

Mit dieser Anordnung werden die feinen Glasteilchen 11 einheitlich auf der Endfläche des Anfangsgliedes 13 in axialer Richtung niedergeschlagen, so daß ein poröser Vorformling 14 in Form eines Stabes erhalten wird. Der poröse Vorformling 14 weist in radialer Richtung die Verteilung der Bestandteile auf, die mit den entsprechenden Glasausgangsmaterialien über die Düsen 71 und 72 in den Brenner 12 eingeblasen worden sind. Die Verschiebebewegung des Anfangsgliedes 13 in axialer Richtung wird dahingehend eingestellt, daß ein poröser Vorformling mit einheitlicher Zusammensetzung in Längsrichtung erhalten wird. Das Anfangsglied 13 wird mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben bewegt, daß der Brenner 12 und die Wachstumsfläche des porösen Vorformlings 14 stets konstanten Abstand zueinander aufweisen; mit anderen Worten ausgedrückt, es wird stets die gleiche Geschwindigkeit wie die V/achstumsgeschwindigkeit· des porösen Vorfornlings 14 eincehal-

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ten. Das Anfangsglied 13 kann beispielsweise aus einem Quarzstab mit einem Durchmesser von ungefähr 15 mm bestehen; weiterhin kann das Anfangsglied 13 aus einem Bauteil mit einer Haltestange bestehen, an deren Mittelpunkt eine Quarzscheibe mit einem Durchmesser von ungefähr 20 bis 50 mm angebracht ist.

Hit der nach oben gerichteten Bewegung des Anfangsgliedes 13 wird der dabei erzeugte poröse Vorformling 14 in einen Hochtemperaturofen 60 geführt, der rund um die Drehachse des Anfangsgliedes 1 3 vorgesehen ist. In dem Hochtemperaturofen 60 wird der poröse Vorformling 14 erhitzt, beispielsweise bis auf ungefähr 16OO°C, örtlich über eine Länge, die im wesentlichen dem Durchmesser des Vorformlings 14 entspricht, oder etwas kürzer ist; hierdurch wird der poröse Vorformling 14 geschmolzen und durch Glasbildung ein transparenter Vorformling für optische Fasern erzeugt. Im Verlauf der Glasbildung werden in dem porösen Vorformling 14 enthaltene Blasen vollständig aus diesem ausgetrieben. Wenn die Hochtemperaturzone zu lang ist, dann findet die Entfernung der Blasen nicht vollständig statt; wenn die Hochtemperaturzone andererseits zu kurz ist, dann kann der Vorformling nicht in eine transparente Form bis zu seinem Zentrum überführt werden.

Sofern feine Glasteilchen vorgesehen werden, die aus drei oder mehr Bestandteilen bestehen, kann die erforderliche Anzahl von Behältern für diese Bestandteile zusätzlich zu den Behältern 23 bis 25 vorgesehen werden. Damit kann nicht nur das Brechungsindexprofil wirksam geregelt werden, sondern auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Vorformling für die optischen Fasern in dessen radialer Richtung;

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dies dient zur Verhinderung der Rißbildung im Vorformling durch Erhöhung des Brechungsindex im zentralen Teil des Vorformlings und zur gleichzeitigen Ausbildung eines einheitlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch den Vorformling.

Zu dem Hochtemperaturofen 60 gehört ein zylindrisches Ketallgefäß und eine zylindrische Kohlenstoff-Heizeinrichtung 61, welche innerhalb des Gefäßes koaxial zu diesem angeordnet ist. Das metallische Gefäß weist z.B. einen Durchmesser von ungefähr 200 mm und eine Länge von 250 mm auf. Um zu verhindern, daß das metallische Gefäß durch die Heizeinrichtung 61 aufgeheizt wird, wird dem metallischen Gefäß über eine Leitung 62 Kühlwasser zugeführt und über eine Leitung 62' abgeführt. Die Kohlenstoff-Heizeinrichtung 61 weist einen inneren Durchmesser von 65 mm und einen äußeren Durchmesser von 71 mm auf, wobei in der Heizeinrichtung Schlitze 63 in Form der Zähne eines Kammes ausgebildet sind, welche parallel zur Achse der Heizeinrichtung nach oben und nach unten ragen, so daß zwischen zwei benachbarten Schlitzen jeweils ein in die entgegengesetzte Richtung zeigender Schlitz vorgesehen ist; hierdurch wird der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung 61 reguliert. Die die Hitze erzeugenden Bereiche der Heizeinrichtung 61 sind zwischen benachbarten Schlitzen ausgebildet, welche in entgegengesetzte Richtungen zeigen; die gegenüberstehende Länge benachbarter Schlitze beträgt 30 mm. Der Zwischenraum zwischen dem Außenumfang der Kohlenstoff-Heizeinrichtung 61 und dem metallischen Gefäß ist mit Kohlenstoffwolle (aus Kohlenstoffasern) ausgefüllt, so daß sich eine verstärkte thermische Isolierung ergibt. Wenn ein Strom von 20 V und 15O A über einen Anschluß 64 an einem Ende des Durch-

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messers der Kohlenstoff-Heizeinrichtung 61 angelegt und über einen anderen Anschluß 65 am anderen Ende abgeführt wird, so wird eine hohe Temperatur von I6OO C erhalten. Um eine Oxidation des Kohlenstoff zu vermeiden, wird ein inertes Gas wie etwa Stickstoff, Argon, Helium oder dergleichen über die Leitung 66 mit einer Durchsatzmenge von drei Litern/Min, in das metallische Gefäß eingeführt, wodurch das Eindringen von Luft in das metallische Gefäß verhindert wird. Es ist ebenfalls möglich, den Innenraum des Ofens unter Vakuum zu setzen, anstelle diesem Bereich inertes Gas zuzuführen. Die angegebene hohe Temperatur ist hauptsächlich als Beispiel für Heizeinrichtungen gedacht, die bei der Durchführung der Erfindung benutzt werden und soll die Erfindung nicht auf besondere Werte und Maßnahmen beschränken.

Eine beispielhafte Ausführungsform des Brenners 12 weist grundsätzlich zwei Düsen auf und ist in der Weise konstruiert, daß daraus zwei Sorten vermischter Gase ausgeblasen werden können.

Mit Fig. 2A ist ein Beispiel einer konkreten .Ausführungsform des Brenners 12 dargestellt; bei dieser Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial, das schließlich das Glas mit hohem Brechungsindex bildet, aus der Düse 71 ausgestoßen, und dasjenige Ausgangsmaterial, das schließlich das Glas mit niedrigem Brechungsindex bildet, wird aus den Düsen

72 ausgestoßen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Düse 71 angeordnet sind. Die offenen Enden der Düsen 71 und 72 sind von engen Düsen

73 umgeben, aus denen inertes Gas ausgeblasen wird; dadurch wird verhindert, daß die Sauerstoff-VTasserstoff-Plammen sich mit den Ausgangsmaterialien in der Nähe der offenen Enden der Düsen vermischen und

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dort reagieren; dadurch wird verhindert, daß sich Glas auf den offenen Enden niederschlägt und diese gegebenenfalls bedecken würde. Der Sauerstoff wird gleichzeitig aus einer Anzahl von Düsen 74 ausgestoßen, die recht dünn sind, beispielsweise einen Innendurchmesser von ungefähr 0,5 nun aufweisen und in der Nähe der Düsen für das Ausgangsmaterial angeordnet sind, d.h. rund um die Düsen 73 herum. Wasserstoff tritt gleichmäßig rund um die Düsen 74 herum aus einer Düse 75 aus, innerhalb der die Düsen 74 als Ganzes angeordnet sind. Weiterhin ist eine Düse 76 von geringer Breite an der Außenseite der Düse 75 vorgesehen; aus dieser Düse 76 tritt inertes Gas aus, um eine Ausbreitung der Sauerstoff-Wasserstoff-Flammen zu verhindern. Das ganz außen austretende inerte Gas verhindert auch eine Verteilung der erzeugten feinen Glasteilchen, wodurch die Wirksamkeit der Ablagerung auf dem Anfangsglied 13 verbessert wird. Der Brenner 12 wird mit der Maßgabe angeordnet, daß die zentrale Achse der Düse 71 mit der Drehachse des Anfangsgliedes 13 fluchtet.

Die genaue Regelung der Brechungsindexverteilung kann dadurch erreicht werden, daß viele Düsen benutzt werden, um das Mischungsverhältnis der aus den entsprechenden Düsen ausgetretenen Ausgangsmaterialien zu steuern, so daß der Brechungsindex allmählich abgeändert werden kann· Die Fig. 2B zeigt die Ausgangsöffnungen einer aolchen Düse. An der Außenseite der Düse 71» aus welcher das Kern bildende Material des Vorformlings austritt, sind jeweils paarweise die Düsen 72a bis 72d für die Bildung der Ummantelung angeordnet. Das heißt, die Düsen 72a sind gegenüberliegend zu beiden Seiten der Düse 71 angeordnet; die Düsen 72b sind außerhalb der Düsen 72a, die Düsen 72c außerhalb der Düsen 72b und

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die Düsen 72d außerhalb der Düsen 72c angeordnet. Aus den Düsen 72a bis 72d außerhalb der Düse 71 werden Äusgangsmaterialien ausgesprüht, mittels denen ein Glasstab erzeugt wird, dessen Brechungsindex allmählich von dem Zentrum in radialer Richtung abnimmt. Jeweils aus zwei der Düsen 72a bis 72d, welche symmetrisch mit Bezug zu der Düse 71 angeordnet sind, tritt Ausgangsmaterial der gleichen Zusammensetzung aus.

Umgekehrt ist mit Fig. 2C die einfachste Form des Brenners 12 dargestellt} diese Ausführungsform weist lediglich eine Düse 70 für den Austritt des Ausgangsmaterials auf. Zwei derartige Brenner 12 sind Seite an Seite parallel zur Drehachse des Anfangsgliedes 13 angeordnet, und ein Ausgangsmaterial für Glas mit hohem Brechungsindex tritt aus einem dieser Brenner in Richtung des Zentrums der Endfläche des rotierenden Anfangsgliedee 13 aus; das Rohmaterial für Glas mit niedrigem Brechungsindex tritt aus dem anderen Brenner in Richtung des Randabschnittes dieser Endfläche des Anfangsgliedes 13 aus, wodurch ebenfalls ein poröser Vorformling erhalten wird. In diesem Falle kann durch Einstellung der relativen Positionen der beiden Brenner zueinander entweder ein Vorformling mit allmählich übergehendem Index oder ein Vorformling mit abgestuftem Index erhalten werden. Das heißt, sind die beiden Brenner so nahe beieinander angeordnet, daß die erzeugten feinen Glasteilchen eich untereinander vermischen, dann wird ein Vorformling mit allmählich übergehendem Index erzeugt. Sind andererseits die Brenner so weit voneinander entfernt, daß die erzeugten Ströme aus feinen Glasteilchen sich nicht untereinander vermischen, dann wird ein Vorformling mit abgestuftem Index erhalten.

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Der für die Bildung der feinen Glasteilchen verwendete Sauerstoff-Wasserstoff -Brenner kann durch einen Hochfrequenz-Plasmabrenner, einen Gleichstrom-Plasmabrenner oder dergleichen ersetzt werden. Im Falle eines Sauerstoff-Wasserstoff-Brenners wird durch die Hydrolysereaktion zwischen dem bei der Verbrennung entstehenden Wasser und den Glasausgangsinaterialien wie etwa Siliziumtetrachlorid und dergleichen ein Oxid gebildet, so daß ein Teil des Wassers in den Vorformling eintritt und dort Absorbtionsverluste verursacht. Im Gegensatz dazu wird mit dem nachfolgend beschriebenen Plasmabrenner Sauerstoff von hoher Temperatur erzeugt, welcher direkt eine Oxidationsreaktion des Glasausgangsmaterials wie etwa Siliziumtetrachlorid verursacht, so daß kein Wassergehalt in dem Glas zurückbleibt, wodurch ein Vorformling au3 Glas mit geringen Absorbtionsverlusten erhalten wird.

Mit Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform eines Gleichstrom-Plasmabrenners dargestellt. Ein inertes Gas wie etwa Argon wird durch eine Leitung 46 in den Brenner zwischen die zylindrischen Elektroden 44 und 45 aus hochreinem Kohlenstoff geführt; diese Elektroden 44 und 45 sind koaxial zueinander angeordnet; ein Gleichstrom von 50 V und 100 A wird an die Oberseite der Elektroden 44 und 45 angelegt, was zu einer Lichtbogenentladung 50 führt, welche das Argon bis auf 1400⁰C erhitzt. Weiterhin wird Sauerstoff aus einer Leitung 47 gemeinsam mit Glasausgangsmaterial aus einer Leitung 48 in die innere Elektrode 45 eingebracht; die Leitungen und 48 stehen miteinander in Verbindung, und das Glasausgangsmaterial und der Sauerstoff werden mit dem hoch erhitzten Argon in einem Raum

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oberhalb der Elektrode vermischt, wo die Oxidationsreaktion stattfindet, so daß feine Glasteilchen erzeugt «erden. Sofern nach dem Vermischen von dem hoch erhitzten Argon, Sauerstoff und gasförmigen Ausgangsmaterialien die Temperatur oberhalb 1200⁰C liegt, tritt eine hoch wirksame Reaktion ein. Der mit Fig. 3 dargestellte Brenner entspricht dem Brenner nach Fig. 2C, so daß ein Brenner für das Kern bildende Material und ein oder mehrere Brenner für die Bildung der Ummantelung vorgesehen werden müssen.

Eine verwendbare Ausführungsform eines Hochfrequenz-Plasmabrenners ist im einzelnen in der US-Patentschrift 3 275 408 beschrieben. Mit dem Hochfrequenz-Plasmabrenner können feine Glasteilchen auf die gleiche Weise erzeugt werden. Entsprechend werden durch das Vermischen von hoch erhitztem Sauerstoff und Glasausgangsmaterial unabhängig von der Bauweise des verwendeten Brenners feine Glasteilchen erhalten.

Sofern dem verwendeten Sauerstoff Ozon (θ,) in Anteilen von 0,5 bis 10 io zugemischt wird, kann die Oxidationsreaktion bei tieferen Temperaturen durchgeführt werden; in diesem Falle tritt eine ausreichende Reaktion bereits bei 250 bis 300⁰C ein.

Der hergestellte poröse Vorformling 14 soll aus einem Glas bestehen, das die geringst mögliche Lichtabsorbtion aufweist; für ein solches Glas werden hochreine Ausgangsmaterialien angestrebt. Im einzelnen werden Siliziumtetrachlorid (SiCl.), Silan (SiH.), siliziumorganische Verbindungen (SiCl-CH,, SiCl₂(CH,)-, Si(CH,). und dergleichen) einge-

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setzt; im Beatreben, den Wassergehalt möglichst weit zu reduzieren, wird vorzugsweise Siliziumtetrachlorid oder dergleichen eingesetzt, das keinerlei Tasserstoff enthält. Diese Llaterialien werden schließlich zu Siliziumdioxid (SiO_) umgesetzt. Als Ausgangsmaterial zur Regelung des Brechungsindex und des Koeffizienten der thermischen Ausdehnung werden Germaniumtetrachlorid (GeCl.), Bortrichlorid (BCl,), Bortribromid (BBr,), Phosphortrichlorid (PCI,) und Fhosphoroxichlorid (POCl,) verwendet, wobei eine oder mehrere dieser Verbindungen eingesetzt werden können; aus diesen Verbindungen werden schließlich Germaniumdioxid (GeOp), Boroxid (BpO ) bzw. Phosphorpentaoxid (P₂O₁.) gebildet. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung sind die eingesetzten Äusgangsinaterialien bzw. Hohmaterialien jedoch nicht immer auf die angegebenen Verbindungen beschränkt; vielmehr können auch weitere Oxide wie etwa Aluminiumoxid, Galliumoxid, Titanoxid und dergleichen, sowie organische Verbindungen eingesetzt werden.

In allgemeiner Hinsicht gilt, wird ein Dotierungsmittel wie etwa Germaniumdioxid (GeOp) zugesetzt, um den Brechungsindex des Kerns des Vorformlings zu erhöhen, so wird dadurch auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kerns erhöht, was eine Rißbildung verursacht. TJm dies zu vermeiden, wird es angestrebt, in der radialen Richtung des Vorformlings einen einheitlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu gewährleisten; hierzu muß den Uaifangsbereichen des Vorformlings ein Dotierungsmittel zugesetzt werden, welches lediglich den thermischen Ausdehnungskoeffizienten erhöht, ohne eine abrupte Erhöhung oder Erniedrigung des Brechungsindex zu verursachen; dies kann beispielsweise durch den Zusatz von Boroxid (BpO,) oder dergleichen erfolgen.

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Mit Fig. 4 sind in Form von graphischen Darstellungen die Abhängigkeit des Brechungsindex bzw. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ▼on den Mengen an zugesetzten Oxiden dargestellt. Die Kurven 38a, 38b und 38c zeigen die Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von den Anteilen an Phosphorpentoxid, Boroxid und Germaniumdioxid; entsprechend zeigen die Kurven 39a, 39b und 39c die Abhängigkeit des Brechungsindex von den Anteilen an Phosphorpentoxid, Boroxid und Germaniumdioxid. TTird beispielsweise dem Kern des Vorfornlings 10-Mol-> Germaniumdioxid zugesetzt, so besteht eine Brechungsindex-Differenz von 0,01 zwischen dem Kern und dem reinen Quarzglas, welches die Ummantelung bildet; der thermische Ausdehnungskoeffizient nimmt einen so großen Wert von etwa 1 χ 1O~ an. Dementsprechend führt die Verwendung von reinem Quarz für die Ummantelung zu einer großen Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kern und der Ummantelung, so daß in dem Vorformling Rißbildung und dergleichen auftreten wird. Um daher den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ummantelung im wesentlichen in Obereinstimmung mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kerns zu bringen, wird es angestrebt, Boroxid oder dergleichen zuzusetzen, was eine geringe Erniedrigung oder Erhöhung des Brechungsindex zur Folge hat. Wenn dem Kern Boroxid zugesetzt wird, so nimmt dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen den Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ummantelung an, wobei der Brechungsindex lediglich um 0,003 oder dergleichen kleiner wird als der Brechungsindex von reinem Quarz. Dies hat keinen großen Einfluß auf die vorgesehene Ausbildung der optischen Faser; andererseits können jedoch Vorformlinge für optische Fasern erhalten werden, die auch mechanische Festigkeit aufweisen. _ · .

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Beispiel 1:

Zur Erzeugung feiner Glasteilchen wurden dem mit Fig. 2A dargestellten Brenner die in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführten Ausgangsmaterialien und brennbaren Gase zugeführt. ·

Tabelle

Düse

Ausgangs- Temperatur des material Gefäßes (⁰C)

Gas

Durchflußmenge (cm⁵/Min)

SiCl.

GeCl,

BBr,

25	^H2	200
10	• ^H2	200
5	^H2	100
23	^H2	200
2	^H2	120
15	^H2	200
	Ar	250
	°2	260
	^H2	4000
	Ar	2000

SiCl

GeCl

BBr,

Sofern die Ausgangsmaterialien in die Flammen geblasen wurden, die in dem Brenner aus dem zugeführten Sauerstoff-Wasserstoff-Gas brannten, so wurden kugelförmige feine Glasteilchen mit einem Durchmesser

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von ungefähr 500 bis 1000 A erhalten. Der Strom aus feinen Glasteilchen wurde auf die untere Endfläche eines Stabes aus Quarzglas mit einem Durchmesser von 15 mm gerichtet, welcher als Anfangsglied verwendet wurde. Der Quarzglasstab wurde mit einer Geschwindigkeit von 15O bis 60 Umdrehungen/liin. gedreht und mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 mm/Min, nach oben bewegt. Der Brenner 12 war mit seiner Hittelachse, d.h. der Achse der Düse fluchtend zur Längsachse des Quarzglasstabes ausgerichtet. Im Ergebnis wurde mit einer Geschwindigkeit von 6 cm/Std. ein poröser Vorformling mit einem Durchmesser von 40 mm erzeugt. Zur Glasbildung wurde dieser poröse Vorformling fortlaufend in den Hochtemperaturofen 60 eingebracht, wobei ein Vorformling für optische Fasern mit einem Durchmesser von 20 mm erhalten wurde. Es ergab sich eine Herstellungsgeschwindigkeit für den Vorformling für optische Fasern von 15 g/std.

Der zentrale Abschnitt des Brechungsindexprofiles dieses hergestellten Vorformlings für optische Pasern entsprach recht gut der parabolischen Kurve, die in Fig. 5 (als ausgezogene Linie) dargestellt ist; das Brechungsindexprofil des äußeren Abschnittes wich etwas von der parabolischen Kurve ab, wie das dargestellt ist. Die Frequenz des optischen Grundbandes des Vorformlings für optische Fasern nahm bei 5OO ICHz bis auf 6 dB ab, was als relativ ausgezeichnetes Ergebnis anzusehen ist. Im Bereich von 0,8 bis 1,1 um betrug das Leiturigsverlustspektrum des Vorformlings für optische Fasern ungefähr 5 dB/km, wie das mit Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Bereich gab es einen Abschnitt, in dem der Verlust weiter auf ungefähr 5 d3/km bei 0,95 um anstieg. Dies beruht auf Absorption durch den Wassergehalt in Glas,

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wie das in der Fachwelt gut bekannt ist; aus diesem Absorptionswert wurde geschlossen, daß der «Tassergehalt ungefähr 5 Ppm (Teile Wasser auf eine Million Teile Glas) betrug. Diese Werte entsprechen im wesentlichen solchen Werten von Vorformlingen für optische Fasern, die nach üblichen Herstellungsmethoden hergestellt worden sind. Das heißt, es wurde ein Vorformling für optische Fasern erhalten, dessen charakteristische Eigenschaften in keinem Falle schlechter waren, als die entsprechenden Eigenschaften üblicher Vorformlinge für optische Fasern.

Mit Fig. 7 ist ein weiteres Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für optische Fasern dargestellt. Das gasdichte Gefäß 1 weist einen oberen Teil 1a und einen unteren Teil 1b auf, von denen jeder aus einem zylindrischen, gasdichten Glasgefäß besteht, wie das bei der Vorrichtung nach Fig. 1 der Fall ist. Das untere offene Ende des unteren Gefäßes 1a ist beispielsweise mit einer Platte 54 aus rostfreiem Stahl abgedeckt, welche mit einem korrosionshindernden Überzug versehen ist, der gegenüber Salzsäure, Chlor und dergleichen beständig ist; beispielsweise besteht dieser Überzug aus Polytetrafluoräthylen. Ein Brenner 12a mit einer Düse für die Bildung des Kernes ist in eine zentrale Bohrung der unteren Platte 54 eingesetzt und wird dort festgehalten. Der Brenner 12a weist keine Düsen für die Bildung der Ummantelung auf; ein Brenner 12b mit den Düsen für die Ummantelung ist in eine Bohrung in der Seitenwand des oberen gasdichten Gefäßes 1b eingesetzt und wird dort festgehalten. Bei dem dargestellten Beispiel entspricht jeder Brenner 12a und 12b dem Plasmabrenner nach Fig. 3· Dem Brenner 12a wird Argon mit einer Durchsatzmenge von 200 cm /Min. zugeführt, das

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auf 14OO C erhitzt und mit Sauerstoff vermischt wird, der mit einer Durchsatzmenge von 100 cm /Min. zugeführt wird, um auf 1200 C erhitzten Sauerstoff zu erhalten. Ein Glasausgangsmaterial für die Bildung des Kernes wird in den heißen Sauerstoff geblasen, um feine Glasteilchen zu erzeugen« Die dabei gebildeten feinen Glasteilchen werden auf der unteren Endfläche des Anfangsgliedes 1J niedergeschlagen, und wachsen dort zu einem porösen Glasstab 14a für den Kern. Der Brenner 12b für die Bildung der Ummantelung stimmt im wesentlichen mit dem Brenner 12a überein; abweichend wird dem Brenner 12b ein Glasausgangsmaterial für die Bildung der Ummantelung zugeführt. Die mit dem Brenner 12b erzeugten feinen Glasteilchen werden auf der Umfangsflfiche des porösen Glasstabes 14a niedergeschlagen und bilden darauf eine poröse Glasschicht 14b für die Ummantelung. Diametral gegenüberliegend zum Brenner 12b für die Ummantelung ist ein Absaugrohr 55 in eine Bohrung in dem oberen gasdichten Gefäß 1b eingesetzt und wird dort festgehalten. Kit dem Absaugrohr 55 wird Gas aus dem gasdichten Gefäß 1b abgesaugt, um eine wirksame Niederschlagung der feinen Glasteilchen aus dem Brenner 12b auf dem porösen Glasstab 14a zu gewährleisten. In diesem Falle sind in dem Absaugrohr 55 Diffusionsplatten 56, welche jeweils eine Vielzahl von einheitlich verteilten Perforationen aufweisen, vorgesehen, um beim Absaugen eine gleichmäßige Durchsatzmenge zu gewährleisten. Unter einer Trennplatte 57» welche das obere gasdichte Gefäß 1a von dem unteren gasdichten Gefäß 1b abtrennt, ist ein Schneidwerkzeug 58 angeordnet, das in Berührung mit der Umfangeflache des porösen Glasstabes 14a steht; mit dieser Schneidkante kann der Durchmesser des rotierenden Glasstabes 14a auf konstantem *<7ert gehalten werden, Kit dem Absaugen der Luft aus dem

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unteren gasdichten Gefäß 1a mittels Absaugleitungen 59» die in dem gasdichten Gefäß 1a zwischen dem Schneidwerkzeug 58 und der Trennplatte 57 angeordnet sind, werden auch die von dem Schneidwerkzeug 58 abgetrennten Schnipsel aus dem Gefäß 1a entfernt. Abgesehen von den oben aufgezeigten Unterschieden stimmt das gasdichte Gefäß 1a mit dem in Fig. 1 dargestellten Gefäß überein; die noch nicht erläuterten Einzelheiten werden daher lediglich kurz beschrieben. In dem Hochtemperaturbrenner 16 wird Kohlenstoffwolle 6j als thermisch isolierendes Material verwendet; diese Wolle ist zwischen der Heizeinrichtung 61 und dem äußeren metallischen Behälter angeordnet. Auf der Oberseite des Hochtemperaturbrenners 60 ist ein hohles, zylindrisches Bauteil 68 aus hartem Glas angebracht; auf der Oberseite dieses Bauteils ist eine Dichtung 69 vorgesehen, durch welche der hergestellte Vorformling für optische Fasern herausgezogen wird. Bei der Vorrichtung nach Pig. 7 kann die Zuführung der Glasausgangsmaterialien zu der Düse für den Kern und den Düsen für die Ummantelung auf die gleiche TTeise erreicht werden wie bei Fig. 1.

Beispiel 2:

Der mit Bezugnahme auf Fig. 7 erläuterten Vorrichtung werden unter den nachfolgend in Tabelle 2 aufgeführten Bedingungen die dort angegebenen Glasausgangsmaterialien zugeführt.

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	Tabelle 2	Düse für den,Kern	Düsen für die ummantelung (cm·⁵/Min.)
		750	750
Ausgangs- material	Temperatur des Gefäßes	80	0
SiCl. 4	58 .	O	80
GeCl. 4	85	20	20
BCl,	13
PCI,	76

Bei der Herstellung des Kerns wurde ein poröser Glasstab mit einem Durchmesser von 40 mm erhalten; die darauf gebildete poröse Glasschicht 14t» für die Ummantelung hatte eine Dicke von 8 mm. Das Anfangsglied 13 wurde mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/std. nach oben gezogen. Pro Stunde konnten ungefähr 240 g Vorformling für optische Pasern erhalten werden. Die Behälter für die Ausgangsmaterialien wurden jeweils auf den in Tabelle 2 angegebenen Temperaturen gehalten, so daß die Dampfdrucke der jeweiligen Ausgangsmaterialien ungefähr eine Atmosphäre betrugen.

Sofern der poröse Glasstab I4 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wurde, bewirkten Temperaturschwankungen im Brenner 12 und geringe Veränderungen in der Menge jedes zugeführten Ausgangsmaterials eine Dispersion im äußeren Durchmesser des porösen Vorformlings 14 und im Brechungsindex des erhaltenen Vorformlings für optische Fasern. Dies

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führte zu einem Leitungsverlust und zu einer Beeinträchtigung der charakteristischen Frequenz der fertigen optischen Paser, die aus diesem Vorformling für optische Fasern hergestellt wurde. Im Hinblick darauf wird es angestrebt, die Wachstumsendfläche des porösen Vorformlings 14 in einer konstanten Stellung zu halten. Zum Beispiel kann, wie mit Fig. 8 dargestellt, ein Teil des von einem Heliumlaser 81 abgestrahlten Lichtes mittels einem halb durchlässigen Spiegel 82 in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt werden, von denen einer von einer Photodiode 83 aufgenommen wird) die Intensität des aufgenommenen Lichtes wird als Signal A angegeben. Der andere Lichtstrahl wird mittels einem Linsensystem 84 zu einem Lichtstrahl 85 mit einem Durchmesser von ungefähr 5 bis 20 mm vergrößert. Der vergrößerte Lichtstrahl 85 bestrahlt die Fachbarschaft des Wachstumsendes 14d des porösen Vorformlings I4 aus einer Richtung im wesentlichen rechtwinklig zur Achse des porösen Vorforinlings 14* so daß ein Teil des Lichtstrahles 85 auf den porösen Vorformling 14 auftrifft. Der andere Teil des Lichtstrahles, der nicht von dem porösen Vorformling I4 aufgenommen wird, wird mittels einer Linse 86 fokusiert, und lediglich dieses Laserlicht wird von einem Interferenzfilter 87 aufgenommen, und mittels einem Lichtdetektor 88, beispielsweise einer Solarbatterie, einer PIN-Diode oder dergleichen zu einem Signal B umgewandelt. Das dabei erhaltene Signal B wird in einem Dividierschaltkreis 89 durch das Signal A aus der Photodiode 83 geteilt. Das nach der Teilung erhaltene Ausgangssignal C aus dem Dividierschaltkreis 89 entspricht dem Ausmaß, in dem das Licht des Laserstrahles 85 von dem porösen Glasstab I4 aufgenommen wird. Damit wird die Stellung des Wachstumsendes des porösen Vorformlings 14 überwacht. Die dem L'otor 3 in Fig. 1 zugeführte Antriebs-

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spannung, die zum Ziehen des porösen Vorformlings vorgesehen ist, wird mit einer Steuerschaltung 92 in der Weise reguliert, daß die Differenz zwischen dem Signal C und einem von einem Terminal 91 gelieferten Referenzsignal konstant gehalten wird. Durch die Antriebsepannung aus der Steuerschaltung 92 wird der Motor 3 entsprechend angetrieben, um die Bewegungsgeschwindigkeit des porösen Vorformlings zu steuern; dadurch wird die Stellung der Wachstumsendfläche 14d des porösen Vorformlings 14 in konstantem Abstand relativ zu dem Brenner 12 gehalten.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorformlinge für optische Fasern unterscheiden sich von den Vorformlingen, die nach bekannten Verfahren (US-Patentschriften 3 737 293 und 3 823 995) erhalten wurden, in den naohfolgenden Punkten:

Bei den üblichen Verfahren wird Glas in radialer Richtung bezüglich der Achse des Vorformlinge für optische Fasern aufgebracht, wie das oben beschrieben wurde, so daß kleine Schwankungen des Brechungsindez in radialer Richtung auftreten, gerade so wie Jahresringe. Eine solche Struktur ist im einzelnen in dem Beitrag von H. M. Fresby, R. D. Standley, J. B. Machesuey und P. B. O'Corner in "Material Structure of Germanium-Doped Optical Fibers and Preforms", in Bell System Technical Journal, Dezember 1975» Seiten 1681 bis I692 beeohrieben.

Andererseits werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die feinen Glasteilchen in axialer Richtung des porösen Vorformlings niedergeschlagen,

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was zii Vorformlingen für optische Fasern führt, die frei von diesen an Jahresringe erinnernden Schwankungen des Brechungsindex sind; weiterhin weisen die erfindungsgemäß hergestellten Vorformlinge einen äußerst einheitlichen Brechungsindex in radialer Richtung auf. In axialer Richtung des Vorformlings für optische Pasern»werden durch Schwankungen im Strom der feinen Glasteilchen während der Aufbringung geringfügige Veränderungen des Brechungsindex hervorgerufen; diese Veränderungen des Brechungsindex sind jedoch kleiner als 0,0005» so daß der Kern des Vorformlings für optische Fasern in axialer Richtung als homogen angesehen werden kann, im Vergleich zu solchen Kernen, die nach dem üblichen Verfahren erhalten wurden.

Mit den Figuren 9A und 9B sind Interferenzstreifen dargestellt, die durch Messung mit einem Interferenzmikroskop der Schwankungen des Brechungsindex von erfindungsgemäß hergestellten Vorformlingen für optische Fasern in axialer und radialer Richtung erhalten wurden, aus Fig. 9A ersichtlich, sind die Schwankungen des Brechungsindex kleiner als 0,0001; wie aus Fig. 9B ersichtlich, treten überhaupt keine Schwankungen des Brechungsindex auf.

Weiterhin wird bei den üblichen Verfahren das Anfangsglied entfernt, nachdem der Vorformling für optische Fasern gebildet ist, und darauf hin wird der Vorformling geschmolzen, um dessen zentralen hohlen Abschnitt zu kollabieren, damit ein fester Querschnitt erhalten wird; bei diesen Verfahrensschritten können Dotierungsmittel wie etwa Germaniumdioxid und dergleichen verdampfen, so daß eine Senke des Brechungsindex im zentralen Abschnitt des Vorformlings gebildet wird.

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Diese Senke ist die Ursache für einen Anstieg des Leitungsverlustes und für eine Verschlechterung der Frequenzeigenschaften. Demgegenüber ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für optische Fasern nicht erforderlich, das Anfangsglied zu entfernen; vielmehr wird von Anfang an ein kompakter zentraler Kern enthalten» so daß keine Senke des Brechungsindex nachträglich eingeführt wird.

Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht die Herstellung von dicken und langen Vorformlingen für optische Fasern erfolgen kann. Mit dem üblichen Verfahren, wobei die Glasteilchen auf der Innenseite des Anfangsgliedes niedergeschlagen werden, lassen sich lediglich 2 bis 10 g Vorformling pro Stunde erhalten. Demgegenüber können mit dem erfindungsgenäßen Verfahren bis zu 240 g Vorformling für optische Fasern pro Stunde erzeugt werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die erforderliche Zeitspanne vom Beginn der Herstellung bis zum Niederschlagen des porösen Glases im wesentlichen die gleiche wie bei dem bekannten Verfahren, wo die Glasteilchen auf der Außenseite des Anfangsgliedes aufgebracht werden; bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch eine sehr lange Zeitspanne für die Entfernung des Anfangsgliedes erforderlich, wobei sich dann das Auffüllen des erhaltenen hohlen Bauteils anschließt. Dementsprechend erfordert auch dieses bekannte Verfahren höheren Zeit- und Arbeitsaufwand. Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar nach der Aufbringung des porösen Vorformlings auf dem Anfangsglied an diesem die Glasbildung kontinuierlich durchgeführt, um einen Vorformling für optische Fasern zu erhal-

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMEIR ZWIRNER . HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBAOEN 2715333

Patentconsult RadeckestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconjull Sonnenberger StraSe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Nippen Telegraph and Telephone

Public Corporation 77/8716

Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen für optische Fasern

Patentansprüche:

' Ί). Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Vorformlingen für optische Fasern,

wobei Glasmaterialien aus Düsen in die Hochtercperaturzone nahe der Spitze eines Rochtemperaturbrenners ausgestoßen werden, um feine Glasteilchen zu erzeugen;

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . w. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing.. H.P. Brehm Oipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-mg. · P. Sergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwiraer Oipl.-Ing. Dipl.-W. Ing.

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diese feinen Glasteilchen auf ein Anfangaglied aufgebracht werden, um einen porösen Vorformling zu bilden; und

dieser Vorformling anschließend in einen Hochtemperaturofen für die Glasbildung gebracht wird, um den Vorformling für die optischen Fasern zu erhalten;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Anfangsglied aus hitzebeständigem Material besteht, gedreht wird, und gleichzeitig längs der Drehachse bewegt wird;

zu den Düsen eine Düse für die Ausbildung des Kerns der optischen Pasern und wenigstens eine Düse für die Ausbildung der Ummantelung gehören;

die Düse für den Kern gegenüber dem Rotationszentrum einer Endfläche des Anfangsgliedes angeordnet ist, und ein Glasrohmaterial für den Kern ausstößt, um feine Glasteilchen auf dieser Endfläche des Anfangsgiiedes aufzubringen, so daß in dessen axialer Richtung ein poröser Glaskern erzeugt wird;

die Düse für die Ummantelung ein Glasrohmaterial für die Ummantelung ausstößt, um feine Glasteilchen auf der Umfangsfläche des porösen Glaskernes aufzubringen, so daß darauf eine poröse Glasschicht gebildet wird; und

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der Hochtemperaturofen in der Bewegungsbahn des Anfangsgliedes vorgesehen ist, um den porösen Vorformling aus dem porösen Glasstab und der darauf gebildeten porösen Glasschicht zu erhitzen, um durch Glasbildung den porösen Vorformling in einen Vorformling für optische Fasern überzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine Düse für die Ummantelung gegenüber der einen Endfläche des Anfangsgliedes,jedoch etwas von der Drehachse versetzt angeordnet ist, um feine Glasteilchen auf dieser Endfläche des Anfangsgliedes gleichzeitig mit den feinen Glasteilchen aus der Düse für den Kern aufzubringen, um eine poröse Glasschicht auf der Umfangsfläche des porösen Glaskernes auszubilden.

3· Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Düse für den Kern und wenigstens eine Düse für die ummantelung in der Weise angeordnet sind, daß die aus beiden Düsen ausgestoßenen feinen Glasteilchen sich teilweise miteinander vermischen, so daß ein Vorformling für optische Fasern mit allmählich

übergehendem Index erhalten wird, dessen Brechungsindexprofil im Querschnitt im wesentliqhen eine quadratische Kurve bildet.

4· Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

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daß wenigstens zwei Düsen für die Bildung der Ummantelung symmetrisch zu der Drehachse des Anfangsgliedes angeordnet sind, und jeweils zwei dieser Düsen mit Bezugnahme auf die Drehachse Glasausgangsmaterialien aus den gleichen Bestandteilen symmetrisch ausstoßen. .

5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Düse für den Kern und die Düse für die Ummantelung jeweils in verschiedenen Hochtemperaturbrennern untergebracht sind.

6. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet.

daß sämtliche Düsen für die Ummantelung in einem Hochtemperaturbrenner untergebracht sind.

7· Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine zusätzliche Düse für die Ummantelung mit Bezug auf die Düse für den Kern an der Seite des Hochtemperaturofens vorgesehen ist; und

aus wenigstens dieser einen zusätzlichen Düse für die Ummantelung feine Glasteilchen aus seitlicher Richtung auf der Umfangfläche des porösen Glaskernes aufgebracht werden, um darauf eine poröse Glasschicht für die Ummantelung zu bilden.

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β. Verfahren nach Anspruch 7»
dadurch gekennzeichnet.

daß eine Anzahl von Düsen für die Ummantelung längs der Drehachse angeordnet sind, um Glasausgangsmaterialien ausgewählt auszustoßen, so daß die Brechungsindizes des erhaltenen Glases allmählich (gradually) abnehmen, wenn der Hochtemperaturofen erreicht ist.

9. Verfahren nach Anspruch 71
dadurch gekennzeichnet«

daß ein Schneidmesser mit der Umfangsfläche des porösen Glaskernes in Berührung gebracht wird, bevor der poröse Glaskern die Zone der Aufbringung der porösen Glasschicht erreicht, wodurch der Durchmesser des porösen Vorformlings auf einem konstanten Wert gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine Düse für die Ummantelung gegenüber dem Anfangsglied, jedoch etwas zur Drehachse versetzt angeordnet ist, um feine Glasteilchen aus wenigstens dieser einen Düse auf dieser einen Endfläche des Anfangsgliedes in axialer Richtung aufzubringen, um eine poröse Glasschicht auf der Umfangfläche des porösen Glaskernes gleichzeitig mit dessen Erzeugung zu bilden; und daß wenigstens eine weitere Düse für die Ummantelung an der Seite des Hochtemperaturbrenners vorgesehen ist, um Glasauagangsmaterial für die Bildung von Glas mit einem kleineren Brechungsindex auszustoßen, als das der zuerst genannten Düse für die Ummantelung zugeführte Glasrohmaterial aufweist; und

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die aus der wenigstens einen weiteren Düse für die Ummantelung erhaltenen feinen Glasteilchen auf der Umfangfläche der porösen Glasschicht für die Ummantelung aufgebracht werden, um darauf eine äußere poröse Glasschicht zu bilden.

11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein inertes Gas in Schichten längs der Drehachse von einer Seitenkante des Hochtemperaturbrenners abgegeben wird, um eine Diffusion der feinen Glasteilchen zu verhindern.

12. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Stellung der TTachstumsendflache des porösen Vorformlings in der axialen Richtung des Ausgangsgliedes beobachtet wird, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Ausgangsgliedes zu steuern, so daß der Durchmesser des porösen Vorforolings konstant gehalten wird.

13· Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß als Hochtemperaturbrenner ein Brenner verwendet wird, der für die Verbrennung von Wasserstoff oder anderen verbrennbaren Gasen mit Sauerstoff ausgelegt ist; und

die Hydrolyse der Glasausgangsnaterialien mittels Flammen durchgeführt wird, um die feinen Glasteilchen zu erzeugen.

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14· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ale Hochtemperaturbrenner ein Plasmabrenner verwendet wirdj und

daß von diesem Brenner auf hohe Temperatur erhitzter Sauerstoff und wasserstofffreie Glasausgangsmaterialien miteinander zur Reaktion gebracht werden, um die feinen Glasteilchen zu erzeugen.

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