DE2827303A1

DE2827303A1 - Verfahren zur herstellung von optischen gegenstaenden

Info

Publication number: DE2827303A1
Application number: DE19782827303
Authority: DE
Inventors: Michael Gregg Blankenship
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE2827303C2; NL7806722A; IT7824842A0; IT1096784B; GB1596088A; FR2395230A1; JPS548615A; NL172534B; CA1106710A; AT377746B; ATA451478A; FR2395230B1; NL172534C

Description

Verfahren zur Herstellung von optischen Gegenständen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glasgegenständen nach dem Flammhydrolyseverfahren und insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleiterfäden aus Glas. Es ist schon seit einiger Zeit bekannt, daß Licht in einem durchsichtigen, fadenartigen Gebilde fortgepflanzt werden kann, dessen Brechungsindex größer als jener der Umgebung des fadenartigen Gebildes ist. Beschichtete Fasern wurden bereits zur Übertragung von Licht auf kürzere Strecken verwendet, deren numerische öffnungsweite oder Apertur (NA) als Maß der lichtsammelnden Fähigkeit der Faser annähernd definiert werden kann als

NA

-V

2n

(O

wobei η den durchschnittlichen Brechungsindex von Kern und Mantel, die mit n. bzw. n,, bezeichnet werden, und Λ den Unterschied zwischen den Brechungsindices von Kern und Mantel darstellt und durch die Gleichung

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A =

- n₂ ²)/2n_t ²

gegeben ist. In gewöhnlichen optischen Fasern wird hoch gewählt, damit auch NA groß ist und die Faser eine möglichst große Menge des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtes aufnimmt.

Optische Wellenleiter sind mit niedrigen Verlusten arbeitende Fäden, die vor nicht langer Zeit als Übertragungsmedium für hochleistungsfähige optische Daten- bzw. Nachrichtenübermittlungssysteme entwickelt wurden. Für optische Wellenleiter wäre es vorteilhaft, hohe Wert von NA aufzuweisen, so daß sie

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des
eine große Menge/von einer mit dem Wellenleiter verbundenen Lichtquelle ausgesendeten Lichtes aufnehmen. Außerdem werden optische Wellenleiter häufig zu Kabeln oder Bündeln gruppiert, um im Falle des Bruches einer Faser Ausweichleitungen zu haben und eine größere"Lichtmenge übertragen zu können. Die Dämpfung Y, die durch zufällige Biegungen der Fasern verursacht wird, die bei der Verkabelung auftreten können, ist durch die Gleichung 2

r = £ (J )^p

gegeben, worin c und ρ auf die Geometrie der zufälligen Biegungen bezogene sowie auf den Faserindexgradienten bezogene Werte darstellen und a der Eadius des Kernes ist. Die Untersuchung der Gleichung (2) zeigt, daß der Verzerrungsverlust Y u.a. dadurch verringert werden kann, daß A. vergrößert wird, d.i. ein Faktor, der auch die HA gemäß Gleichung (1) erhöht. Die strengen optischen Anforderungen, die an ein Über— tragungsmedium gestellt werden, das in optischen Daten- bzw. Fachrichtenubermittlungssystemen verwendet werden soll, haben die Verwendung von üblicher Glasfaseroptik ausgeschlossen, weil bei einer solchen die Dämpfung auf Grund von Streuung und Absorption von Verunreinigungen zu hoch ist. Es mußten daher spezielle Verfahren zur Herstellung von hochreinen Glassorten in der Form von Faseroptik entwickelt werden. Verschiedene Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleiterfasern aus Glas, unter Anwendung des Flammhydrolyseverfahrens, sind in den US-Patentschriften Re. 28,029; 3,711,262; 3,737,293; 3,823,995 und 3,826,560 beschrieben. Die beiden letztgenannten Patentschriften beziehen sich auf die Herstellung von Wellenleitern mit Gradientenindex der Brechung. Uach einer Ausfuhrungsform des Flammhydrolyseverfahrens wird eine Vielzahl .von Komponenten in Dampfform und in vorbestimmten Mengen in einem gasförmigen Medium transportiert und anschließend in einer Flamme unter Bildung von Teilchen mit vorbestimmter Zusammensetzung oxidiert. Die Teilchen werden auf die Oberfläche eines rotierenden, zylinderischen Domes oder Grundkörpers aufgebracht. Nachdem eine erste Schicht von Teilchen unter Bildung des Kernglases abgelagert wurde, wird die Zusammensetzung der Teilchen

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zur Bildung des Mantelglases geändert. Bisher wurden die Teilchen entweder im abgelagerten Zustand gesintert bzw. verdichtet oder sie wurden in einem anschließenden Arbeitsgang gesintert. Nach Entfernen des Grundkörpers wird der so erhaltene, hohl zylindrische Ziehrohling auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Material eine zum Ziehen ausreichend niedrige Viskosität hat, und wird zur Verminderung seines Durchmessers gezogen, bis die Innenwände des Hohlkörpers kollabieren. Durch fortgesetztes Ziehen wird der Durchmesser weiter reduziert, bis eine optische Wellenleiterfaser mit den gewünschten Dimensionen erhalten wird. Die Geschwindigkeit, mit der Fasern aus einem Rohling gezogen werden können, ist ein Hauptfaktor bei der Bestimmung der Kosten. Die Ziehgeschwindigkeit wird ihrerseits von jener Geschwindigkeit begrenzt, mit der das Loch oder die öffnung in der Mitte des Rohlings verläßlich geschlossen werden kann. Ein weiterer, die Herstellungskosten von optischen Wellenleitern erhöhender Faktor ist die Notwendigkeit, die die Öffnung bildenden Wände von nach dem Flammhydrolyseverfahren erzeugten Rohlingen mit Säure zu waschen.

Aus einer Reihe von Gründen wurde der Wert _Δ in optischen •Wellenleitern verhältnismäßig niedrig gehalten. Der Mantel von optischen Wellenleitern mit niedrigen Verlusten wurde gewöhnlich aus sehr reinem Glas, Kieselsäureglas, erzeugt, während der Kern aus dem gleichen hochreinen Glas gebildet wurde, dem eine genügende Menge eines Dotierungsmaterials zugesetzt wurde, uW den Brechungsindex des Kerns auf einen Wert zu erhöhen,der größer als der Brechungsindex des Mantels ist. Bei der Herstellung von optischen Wellenleitern nach dem Flammhydrolyseverfahren wurden bisher mehrwertige Metalloxide, wie Titanoxid, Tantaloxid od.dgl., als Dotierungsmaterial verwendet. Ein bei derartigen Wellenleitern auftretendes Problem war die Begrenzung des Dotierungsmaterials auf höchstens etwa 15 Gew.-%. Obwohl Schmelzkieselsäure insoferne ausgezeichnete Lichtübertragungseigenschaften aufweist, als Absorption und durch das Material verursachte innereSLichtstreuung außergewöhnlich niedrig sind, so würde doch die Zugabe von übermäßigen Mengen des obgenannten, mehrwertigen Metalloxids als Dotierungsmaterial zum

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Zweck der Erhöhung des Brechungsindex zu einem Ansteigen der Absorption von Licht energie und der inneren Lichtstreuung auf unerwünscht hohe Werte führen.

Andere Oxide, wie GeO₂ und ^₂ ⁰S' ^{die in} jüngerer Zeit eingesetzt wurden, haben ebenfalls ausgezeichnete Lichtübertragungseigenschaften. Wie aus den Publikationen MacChesney et al. "A Few Technique for the Preparation of Low-Loss and Graded-Index Optical Fibers", Proceedings of the IEEE, September, 1974-, S. 1280-1281 und Payne et al. "Hew Silica-Based Low-Loss Optical Fibre", Electronics Letters, Band 10, ITo. 15, 25. JuIi 1974-, S.289-290, hervorgeht, sind die Brechungsindices dieser Oxide genügend größer als jener von SiOg, so daß sie als Dotierungsmittel zur Vergrößerung des Brechungsindex von SiOp eingesetzt werden können. Die numerischen Aperturen derartiger optischer Wellenleiter waren jedoch verhältnismäßig niedrig, weil dem Kern des Wellenleiters nur eine begrenzte Menge von GeOp oder P₂Oj- einverleibt werden konnte, u.zw. weil bestimmte Eigenschaften der Kern-Mantel-Einheit, wie Wärmeausdehnungskoeffizient und Erweichungstemperatur, nicht zusammenpaßten.

Angenommen, es wird der "Versuch gemacht, einen mit GeOp dotierten optischen Wellenleiter aus SiO₂ nach einem bekannten Flammhydrolyseverfahren herzustellen, bei welchem die Dornöffnung in dem konsolidierten Ziehrohling aus Glas zurückbleibt. Es sei weitern! angenommen, daß der optische Wellenleiter eine numerische Apertur von 0,24 haben soll, u.zw. auf Basis von solchen Erwägungen wie die Art der zu verwendenden Lichtquelle und die Arten von Biegungen, denen der Wellenleiter unterworfen sein wird. Ist das einzusetzende Mantelmaterial bekannt, so ist auch der Brechungsindex n₂ des Mantels bekannt. Ist das Mantelmaterial beispielsweise mit B₂O, dotiertes SiO₂, so wird n₂ mit etwa 1,4-58, dem Brechungsindex von Siliziumdioxid, angenommen.

P P 1 /P Unter Anwendung der bekannten Beziehung NA = (n^ - n₂ ) wird der Brechungsindex n,, des Kernes zu 1,477 bestimmt. Man kann also bestimmen,. daß das Kernglas etwa 23 Gew.-% GeOp, zur Erzielung eines binären GeO₂-SiO₂-GIaSes mit einem Brechungsindex von 1,477, enthalten soll. Der Ausdehungskoeffizient eines solchen Kernglases ist etwa 15 x 10"' /⁰C. Ein hantel aus reinem Kieselsäureglas sollte mit einem Kern, der 23 Gew.-% GeOp

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enthält, nicht verwendet werden, weil es wegen des Nichtzusammenpassens der Ausdehnungskoeffizienten von Kern und Mantel schwierig wäre, die Vorform aus Teilchen zu konsolidieren, ohne sie zu brechen. Es wird daher eiP· Borsilikatmantel mit einem ungefähr passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt. Es läßt sich feststellen, daß ein Mantelglas mit 12 Gew.-% ^Bp°3 und 88 Gew.-% SiO₂ einen Ausdehnungskoeffizxenten (25 - 700 C) von etwa 12 χ 10- ^{ / C aufweist, wobei der Unterschied von 3 x 10"' /⁰C in den Ausdehnungskoeffizienten annehmbar ist. Pur diese Kombination von Kern- und Mantelgläsern ist die Erweichungstemperatur für den Kern bzw. den Mantel etwa 1630 C bzw. 14-10⁰C. Die Diskrepanz von 220⁰C in den Erweichungstemperaturen der Kern- und Mantelgläser führt zu Problemen beim Faserziehvorgang. Da das Kernglas eine viel höhere Erweichungstemperatur als das Mantelglas hat, ist das Loch im Ziehrohling während des Faserziehvorganges schwierig zu schließen und das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Außendurchmesser in der fertigen Faser neigt zum Variieren. Um dieses Problem auszuschalten, sollte der Kern eine Erweichungstemperatur haben, die in der Nähe gener des Mantels liegt oder etwasniedriger als diese ist. Eine bekannte Methode zur Herabsetzung der Erweichungstemperatur des Kerns besteht in der Zugabe von BpO, zum Kernglas. Eine Zugabe von B^O^ vermindert jedoch geringfügig den Brechungsindex des Kernglases und erhöht den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Um den Mantel diesem erhöhten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kernglases anzupassen, muß dem Mantelglas noch mehr BpO-2 zugesetzt werden, wodurch man abermals auf das Problem eines Nichtzu&ammenpassens der Viskositäten stößt. Me Menge des GeO₂ im Kern mußte deshalb auf einen Wert beschränkt werden, der eine Verdichtung (Konsolidation) der Vorform aus Teilchen ohne übermäßiges Brechen ermöglichte. Der gewünschte höhere Wert von MA konnte deshalb routinemäßig nicht erreicht werden. Ein Ziel der Erfindung liegt daher in der Schaffung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung einer optischen Welltenleiterfaser, bei welchem Verfahren die bisher bekannten Nachteile eliminiert sind.

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Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit einer hohen numerischen Apertur.

Ein anderes Ziel liegt in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von optischen Wellenleiterrohlingen mit einer verminderten Neigung zum Brechen wegen Unstimmigkeiten in den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kern- und Mantelmaterials des Rohlings.

Ein noch anderes Ziel liegt in der Schaffung eines festen Glasgegenstandes nach dem Flammhydrolyseverfahren.

Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann anhand der folgenden, detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich, die Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung erläutern.

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Glasgegenständen nach dem Flammhydrolyseverfahren. Dieses Verfahren umfaßt, kurz gesprochen, das Aufbringen eines ersten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche (Umfangsflache) eines Domes (Trägerstabes). Der Dorn wird unter Bildung einer Vorform aus Teilchen mit einer darin vorhandenen Öffnung entfernt. Die so erhaltene hohle Vorform wird genügend lange einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, um eine Verdichtung der Vorform aus Teilchen und ein Schließen der öffnung zu ermöglichen. Das Schließen der öffnung kann durch Druckverminderung innerhalb der öffnung erleichtert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Bildung von optischen Wellenleitern mit relativ hohen numerischen Aperturen angewendet werden. Ein zweiter Überzug aus Glasteilchen wird auf die Außenfläche (Umfangsflache) des ersten Überzuges aus Teilchen aufgebracht, wobei der Brechungsindex der Teilchen des zweiten Überzuges geringer als jener des ersten Überzuges ist. Die Zusammensetzung der Materialien des ersten bzw. zweiten Überzuges werden vorzugsweise so gewählt, daß das Verhältnis der Viskositäten V^ und Vp des ersten bzw. zweiten Überzuges in einen vorbestimmten Bereich von Viskositäten fällt. Nach dem Verdichten dieser zusammengesetzten Vorform und dem Schliessen des darin befindlichen Loches wird der so erhaltene Zieh-

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Ji-

rohling entweder auf einer Temperatur gehalten oder auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Materialien eine zum Ziehen genügend niedrige Viskosität haben. Der Ziehrohling wird zur Verminderung seines Durchmessers unter Bildung einer optischen Glasfaser gezogen, die die Eigenschaften des gewünschten optischen Wellenleiters aufweist.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen die

Pig.1 und 2 die Aufbringung eines ersten und zweiten Überzuges aus Glasteilchen auf einen Grundkörper, die

Pig.3 eine Querschnittsansicht eines nach bekannten Methoden gebildeten, dichten Rohlings aus Glas, die

Pig.4- eine schematische Darstellung eines Verdichtungsofens und eines Systems für die Zufuhr einer Verdichtungsatmosphäre, die

Pig.5 in graphischer Darstellung das lemperaturprofil eines typischen Verdichtungsofens, die

Pig.6 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäß hergestellten, dichten Rohlings aus Glas, die

Pig.7 eine Kurve, in welcher die relative Zeit zum Schliessen der öffnung als Punktion des Verhältnisses der Viskositäten von Mantel und Kern bei verschiedengradigen Vakua innerhalb der Öffnung aufgetragen ist, und die

Pig.8 eine Schrägansicht eines konsolidierten Glasrohlings, von «sichern Scheiben abgeschnitten wurden.

Zunächst sei erwähnt, daß die Zeichnungen die vorliegende Erfindung erläutern bzw. symbolisieren, wobei es nicht beabsichtigt ist, die aufgezeigten Elemente maßstabgetreu oder in ihren relativen Proportionen darzustellen. Außerdem sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung ausdrücklich sowohl auf Einfachmoden-als auch auf Multimoden-Wellenleiter abgestellt ist, u.zw. unabhängig von den in der Beschreibung, den Zeichnungen oder Beispielen beschriebenen bzw. dargestellten speziellen Ausführungsformen. Die Erfindung bezieht sich auch auf Wellenleiter mit konstantem oder Gradientenindex der Brechung. Im Palle von optischen Wellenleitern mit Gradientenindex der Brechung kann der Mantel entweder den Außenteil des Kerns darstellen oder eine Schicht sein, deren Brechungsindex um einen solchen Betrag

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niedriger als jener des anschließenden Kernmaterials ist, daß an der Kern-Mantel-Grenzfläche eine abrupte Änderung des Brechungsindex erfolgt.

Vorformen aus Teilchen von optischen Wellenleitern werden üblicherweise nach den in den Fig.1 und 2 erläuterten Verfahren hergestellt. Ein Überzug 10 wird auf einen zylindrischen Grundkörper 12 mittels eines Flammhydrolysebrenners 14· aufgebracht. Gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff oder Luft werden von einer nicht gezeigten Quelle in den Brenner 14· geleitet. Dieses Gemisch verbrennt unter Bildung einer Flamme 16, die vom Brenner emittiert wird. Ein Gas-Dampf-Gemisch wird in der Flamme 16 unter Bildung von Glasteilchen oxidiert, die aus der Flamme in einem auf den Grundkörper 12 gerichteten Ström 18 austreten. Das Flammhydrolyseverfahren zur Bildung eines Überzuges von Glasteilchen auf zylinderischen Grundkörpern ist detailliert in den obgenannten US-Patentschriften Ee. 28,029 und 3,823,995 beschrieben. Der Grundkörper 12 wird von einem Griff 20 getragen und wird in der Richtung der Pfeile (Fig.1) gedreht bzw. hin- und herbewegt, um einen gleichmäßigen Niederschlag aus Teilchen zu erzielen. Dieses Verfahren kann zur Herstellung von Wellenleitern mit abgestuftem oder auch mit allmählich sich änderndem Brechungsindex angewendet werden.

Ein zweiter Überzug aus Teilchen wird auf die Außenfläche des ersten Überzuges 10 aufgebracht, wie in Fig.2 dargestellt. Nach bekannten Vorgangsweisen wird der Brechungsindex des Überzuges 22 dadurch niedriger gehalten als jener des Überzuges 10, daß man die Zusammensetzung der in der Flamme 16 erzeugten Teilchen 24- ändert. Dies kann dadurch erfolgen, daß man die Konzentration oder die Art des in die Flamme eingebrachten Dotierungsmittels ändert, oder daß man das Dotierungsmaterial fortläßt. Der Dorn 12 wird wieder gedreht und hin- und herbewegt, um eine gleichförmige Niederschlagung des Überzuges 22 zu erzielen. Dabei stellt der aus erstem Überzug 10 und zweitem Überzug 22 gebildete Verbundkörper eine Vorform 30 eines optischen Wellenleiters dar.

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Bei der Herstellung von optischen Wellenleitern sollten die Materialien des Kerns und des Mantels des Wellenleiters aus einem Glas erzeugt werden, das minimale Lichtdämpfungseigenschaften aufweist. Auch wenn jedes Glas von optischer Qualität verwendet werden kann, so ist doch SchmelzkieselsaureVexn oesonders geeignetes Glas. Aus strukturellen und sonstigen praktischen Erwägungen ist es erwünscht, daß die Kern- und Mantelgläser ähnliche physikalische Eigenschaften haben. Da für ein zufriedenstellendes Funktionieren das Kernglas einen höheren Brechungsindex haben muß als das Mantelglas, kann das Kernglas vorteilhaft aus dem gleichen Glastypus wie der Mantel erzeugt werden, wobei das Kernglas aber mit einer kleinen Menge eines anderen Materials dotiert wird, um seinen Brechungsindex geringfügig zu erhöhen. Wird beispielsweise reine Schmelzkieselsäure als Mantelglas verwendet, dann kann das Kernglas aus Schmelzkieselsäure bestehen, die mit einem Material zur Erhöhung ihres Brechungsindex dotiert wurde.

Es wurden bereits zahlreiche geeignete Materialien als Dotierungsmittel, entweder allein oder in Kombination miteinander, zur Erhöhung des Brechungsindex von Schmelzkieselsäure verwendet. Als Beispiele seien genannt die Oxide von Titan, Tantal, Aluminium, Lanthan, Phosphor oder Germanium. Ein Kern aus mit Germaniumoxid dotierter Schmelzkieselsäure wird vorteilhaft mit einer Mantelschicht aus mit Boroxid dotierter Schmelzkieselsäure versehen, wobei das letztgenannte einen geringfügig niedrigeren Brechungsindex als jenen von reiner Schmelzkieselsäure aufweist und außerdem der Mantelschicht einen etwas höherenWärmeausdehnungskoeffizienten als jenen von reiner Schmelzkieselsäure verleiht, wodurch ein besseres Zusammenpassen der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kern- und Mantelmaterialien erzielt wird.

Bisher wurde die Vorform aus Teilchen in einen Ofen eingeführt, in welchem die Teilchen einer Temperatur im Verdichtungsbereich der Teilchen genügend lange unterworfen werden, um die Teilchen zu erschmelzen und unter Bildung eines dichten, von Teilchengrenzflächen freien Glaskörpers zu konsolidieren. Es wurde jedoch noch kein Versuch unternommen, die öffnung der

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Vorform während des Verdichtungsvorganges zu schließen. Es wurde daher die Verdichtungstemperatur unter der Erweichungstemperatur des Glases gehalten, um eine Deformierung und Ausdehnung des so erhaltenen Ziehrohlings zu vermeiden. Vird die Vorform plötzlich und vollständig in den Ofen eingeführt, so erfolgt eine gleichmäßige Verdichtung durch den gesamten Körper hindurch. Bei Anwendung dieser Vorgangsweise besteht jedoch die Neigung, daß Gaseinschlüsse, gewöhnlich als Blasen oder Samen bezeichnet, in übermäßiger Menge auftreten. Gewöhnlich wird es daher bevorzugt, die Vorform in die Heizzone progressiv einzuführen, wodurch sie nach der Lehre der ÜS-PS 3,806,570 progressiv konsolidiert wird. Der Verdichtungsvorgang wurde in verschiedenen Atmosphären, wie Helium, Helium und Sauerstoff, Vakuum od„ dgl. durchgeführt.

Bisher wurde der Dorn entweder vor oder nach dem Verdichtungsvorgang entfernt. In jenen Fällen, wo der Dorn nach dem Verdichtungsvorgang entfernt wurde, wurden Methoden wie Ätzen, Räumen, Kernbohren od.dgl. angewendet. Da der Dorn letzlich entfernt wird, muß dessen Material nur so gewählt werden, daß seine Zusammensetzung und Wärmeausdehungskoeffizient mit jenen der Materialien des Mantels und des Kerns des Wellenleiters verträglich sind. Geeignete Materialien sind Glas, Keramik, Graphit od.dgl.. Unabhängig davon, wann der Dorn entfernt wurde, führten bekannte Verfahren zu einem hohlen, zylindrischen, dichten Ziehrohling 34- aus Glas, wie in Fig. 3 dargestellt, aus welchem optische Wellenleiter gezogen wurden. Der Rohling 34- umfaßt erste und zweite dichte Glasschichten 36 bzw. 38, wobei der Brechungsindex der Schicht 36 größer als jener der Schicht 38 ist. Der Durchmesser der öffnung 40 beträgt gewöhnlich etwa 0,4- cm.

Da der Kernregion des Rohlings, um deren Brechungsindex zu erhöhen, Dotierungsmittel zugesetzt wurden, ist der Ausdehnungskoeffizient dieser Region größer als jener der Mantelregion. Somit gelangt die mittlere Region beim Abkühlen des Rohlings nach dem Verdi chtungs vor gang in einen Sp annungs zustand. Die öffnung in der Mitte des Rohlings, die nach dem Entfernen des Dorns zurückgeblieben ist, stellt eine freie Oberfläche in der Region hoher Zugkraft dar, wo Brüche leicht ihren Ausgang nehmen. Einer der Faktoren, der die Erzeugung von optischen Wellenleitern mit höheren Werten für die numerische Apertur

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verhindert hat, ist die Notwendigkeit,-den Ausdehnungskoeffizienten der Kernregion niedrig zu halten, u.zw. auf einem Wert, der in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten der Mantelregion liegt.

Tor dem Ziehen des Rohlings zu einer Faser war es erforderlich, die öffnung des Rohlings mit Säure zu waschen und anschließend sorgfältig zu spülen, um eine Verunreinigung zu vermeiden, die den hergestellten Faden für jene Zwecke, für welche er produziert wird, unbrauchbar machen könnte.

Zur Bildung eines optischen Wellenleiters aus dem hohlen Ziehrohling wird dieser auf seine Ziehtemperatur erhitzt, vorzugsweise in einer geregelten Umgebung* Der Rohling kann jedoch auch an diesem Punkt des Verfahrens in Luft erhitzt werden. Sobald das Gebilde eine Temperatur erreicht, bei der die Materialien eine zum Ziehen genügend niedrige Viskosität aufweisen, wird es gezogen, bis das darin befindliche Loch kollabiert und bis die Querschnittsfläche so weit reduziert ist, daß der gewünschte Durchmesser erhalten wird» Die Geschwindigkeit des Ziehens der Faser wurde dadurch begrenzt, daß das Loch des Ziehrohlings während des Ziehvorganges geschlossen werden muß.

Die obgenannten Nachteile werden dadurch ausgeschaltet, daß man die Vorformen aus Glasteilchen nach dem erfindungsge_tmäßen Verfahren verdichtet, welches gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Konsolidation von Vorformen eine Anzahl von Modifizierungen aufweist. Der Dorn wird, kurz gesagt, entfernt und die so erhaltene hohle Vorform aus Teilchen wird einer Temperatur unterworfen, die höher als jene Temperatur ist, die derzeit nur dazu angewendet wird, um eine Verdichtung der Teilchen zu bewirken. Beim Erhitzen der Vorform werden zunächst die Teilchen konsolidiert, und wegen der vorbestimmten relativen Viskositäten der Kern- und Mantelmaterialien bewirkt ein weiteres Erhitzen das Schließen der öffnung. Die zum Schließen der öffnung erforderliche Zeit wird dadurch stark herabgesetzt, daß man den Druck innerhalb der öffnung während des Verdichtungsvorganges reduziert. Der so erhaltene Ziehroling 90, der in Fig. 6 dargestellt ist, umfaßt einen von einer Mantelschicht 94-umgebenen Kern 92. Der Ziehrohling 90 hat eine viel geringere Neigung zum Brechen beim Kühlen, weil in der Region des Kernes

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mit hoher Zugkrafteinwirkung keine freie Oberfläche vorhanden ist.

Der Dorn kann von der Vorform aus Teilchen einfach dadurch entfernt werden, daß man ihn mechanisch aus der Vorform herausdreht und -zieht. Beim Entfernen des Doms muß darauf geachtet werden, eine Beschädigung der Torform so gering wie möglich zu halten, da eine derartige Beschädigung zur Bildung von Samen in der Mitte des so erhaltenen Rohlings führen kann. Da diese Samen aber sichtbar sind, können Samen enthaltende Teile des Rohlings verworfen werden. Wie in Fig. M- dargestellt, wird die Vorform 30 dann an einem rohrförmigen Stutzteil 50 aufgehängt. Zwei Platindrähte, von denen nur ein Draht 52 dargestellt ist, gehen durch die Vorform 30 hindurch, ragen an entgegengesetzten Seiten der öffnung 5^zl- aus dem Rohling heraus und sind gerade oberhalb eines Flansches 56 am Stutzteil 50 befestigt. Zwar ist das Ende eines gasführenden Rohres 58 dargestellt, das aus dem rohrförmigen Stützteil 50 heraus- und in das anschließende Ende der Vorform 30 hineinragt, doch erfordern gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kein Rohr 58.

Die vertikalen Seitenwände des Ofens 60 sind unterbrochen gezeichnet, um anzuzeigen, daß deren relative Tiefe größer als dargestellt ist. Die Länge des Ofens ist gewöhnlich zwei- bis dreimal so groß wie jene der Vorform. Wie in Fig.5 dargestellt, in welcher t und b den Ober- bzw. Unterteil des Ofens bezeichnen, herrscht die höchste Temperatur in der Nähe der Ofenmitte. So kann eine Vorform einer Höchsttemperatur von z.B. 1500⁰C in der Ofenmitte und einer Temperatur von 500⁰C im Ober- oder Unterteil des Ofens ausgesetzt werden.

In Fig. 4 sind Strömungsregulatoren schematisch durch den Buchstaben "R" im Kreis, Strömungsmesser durch den Buchstaben "F" in einem Rechteck und Ventile durch den Buchstaben "V" im Kreis dargestellt. Quellen 64, 66 und 68 für Stickstoff, Sauerstoff bzw. Helium erläutern, anhand von Beispielen, jene Gase, die als Verdichtungsatmosphäre verwendet werden können. Diese Gase können über betreffende Ventile und eine Leitung 70 mit öffnungen 72 im Unterteil des Ofens verbunden sein. Wellenförmige Pfeile 74- stellen die Strömung des

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als Verdicht tongs atmosphäre fungierenden Gases aus den öffnungen dar.

Bei bestimmten, nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ist es erforderlich, innerhalb der öffnung 54- einen verminderten Druck zu schaffen, oder Helium innerhalb dieser öffnung einzuschließen. Es kann deshalb notwendig sein, eine Vakuumpumpe 78 oder eine Quelle 80 für Helium mit dem Rohr 58 zu verbinden. Diese Verbindung wird, wie beispielhaft dargestellt, durch Ventile 82 und 84 und eine Leitung 86 hergestellt. Zur Erzeugung eines Ni ed erdrucke s in der Vorform 30 wird ein Pfropfen 88 mit der gleichen Glas zusammensetzung wie das Kernglas oder mit den gleichen Ausdehnungseigenschaf ten in das Ende der öffnung 54-eingeführt. Nach einer alternativen Ausführungsform kann dieses Ende der Vorform der Einwirkung einer lokalen Wärmequelle, wie einer Flamme, unterworfen werden, um das Ende der öffnung 54-zu schließen.

Die Vorform wird dadurch verdichtet, daß man sie allmählich in den Ofen 60 einführt, wie der Pfeil 62 anzeigt. Vorzugsweise wird die Vorform einer absatzweise fortschreitenden Konsolidation unterworfen, welches Verfahren in der obgenannten US-PS 3₅806,570 beschrieben ist. Dadurch beginnt die untere Spitze der Vorform zuerst zu konsolidieren, wonach die Verdichtung längs der Vorform hinauf fortschreitet, bis sie deren am rohrförmigen Stützteil 50 anliegendes Ende erreicht.

Die Verdichtung kann in verschiedenen bekannten Atmosphären durchgeführt werden. Bach der US-PS 3 >933 »4-54- kann dazu eine an Helium reiche Atmosphäre verwendet werden, welche leicht durch die Zwischenräume der porösen Vorform aus Teilchen hindurchgeleitet werden kann und dabei Eestgas aus den Zwischenräumen austreibt. Die Bezeichnung "heliumreiche Atmosphäre" im Sinne der vorliegenden Unterlagen bedeutet mindestens 95 % Helium.Es können auch andere Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon und Gemische dieser Gase zum Austreiben von Gasen aus der Vorform während des Verdichtens verwendet werden. Manchmal wird ein Halogen, vorzugsweise Chlor, zum Trocknen der Vorform in größerem Ausmaß, als dies durch alleinige Verwendung von Helium möglich ist, eingesetzt. Kombinationen von

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Helium- und Chlorverbindungen sind in der obgenannten US-PS 3,933,4-54- beschrieben.

Die Oberflächenspannung an den Innenflächen eines Ziehrohlings während eines üblichen, bei hoher Temperatur erfolgenden Verdichtungsvorganges von Glasteilchen neigt dazu, die Oberfläche der die öffnung bildenden Wände zu vermindern. Die physikalischen Eigenschaften von derzeit angewendeten Materialien sind jedoch so beschaffen, daß nur eine sehr geringe Verminderung des Durchmessers der öffnung stattfindet, wenn die Vorform.den derzeit üblichen Verdichtungstemperaturen während annehmbarer Zeiträume, also weniger als einige Stunden lang ausgesetzt wird. In solchen Fällen jedoch, wo die Viskositäten des Kerns und des Mantels bei der Verdichtungstemperatur gleich sind, kann die öffnung der Vorform während des Verdichtungsvorganges dadurch geschlossen werden, daß man die Vorform 4- bis 6 h einer Temperatur aussetzt, die nur geringfügig über der Erweichungstemperatur des Kern- bzw. Mantelglases liegt. Ein derartiges Verfahren erfordert aber nicht nur sehr viel Zeit, sondern führt auch zu einem übermäßigen Durchhängen oder einer übermäßigen Dehnung des Rohlings, wobei eine Dehnung um etwa 50 % durchaus üblich ist. Diese Nachteile machen diese Vorgangsweise für technische Verfahren ungeeignet.

Es wurde nun gefunden, daß das Schließen der öffnung des Rohlings während der Verdichtung dadurch sehr erleichtert wird, daß man den Druck innerhalb der öffnung des Rohlings vermindert und/oder die Zusammensetzungen der Materialien des Kerns und des Mantels so regelt, daß die Viskosität des Kernes um einen solchen Betrag niedriger als jene des Mantels ist, der in einen bei der Verdichtungstemperatur gegebenen Bereich fällt. Außerdem sollte der Verdichtungsvorgang bei einer Temperatur durchgeführt werden, die geringfügig über den"üblichen Verdichtungstemperaturen liegt. Die Temperatur, auf die eine Vorform aus Teilchen erhitzt werden soll, um eine Konsolidation der Teilchen und eine Schließung der öffnung zu bewirken, hängt von der Zusammensetzung der Materialien des Kerns und des Mantels ab. Die Temperatur für die Verdichtung und Schließung der öffnung wird daher unter Verwendung des Begriffes der Glasviskosität

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definiert, das ist ein Parameter, der auf alle Glaszusammensetzungen anwendbar ist. In jenen Fällen, wo die Viskosität des Kernglases von jener des Mantelglases verschieden ist, verweist ein Hinweis auf die Viskosität der Vorform in Verbindung mit einer Angabe der Verdichtungstemperatur auf die höhere Viskosität der Kern- und Mantelgläser.

Da es erwünscht ist, die öffnung in der kürzestmöglichen Zeit zu schließen, ist die Verdichtungstemperatur vorzugsweise hoch genug, um eine Viskosität der Vorform in einem Bereich von

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etwa 10 bis 10 P zu bewirken«. Vird die Vorform aus Teilchen einer solchen Temperatur unterworfen, während gleichzeitig der Druck innerhalb der Öffnung um etwa 675 mbar (20 in Hg) vermindert wird, so kann die öffnung in etwa 2 bis 20 min geschlossen werden. Die maximale praktische Viskosität für ein Schließen der

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öffnung sind etwa 10 P, eine Viskosität, bei der ein Schließen der Öffnung in etwa 36 h bei einem um etwa 675 mbar verminderten Druck in der öffnung erfolgt.

Das Schließen der öffnung wird dadurch erleichtert,daß man die Materialien des Kerns und des Mantels so wählt, daß das Verhältnis V^/Vp der Viskosität des Kerns zu jener des Mantels 1/2 oder weniger beträgt. Wie bereits erwähnt, kann die öffnung nicht innerhalb einer annehmbaren Zeitspanne geschlossen werden, wenn die Viskosität des Kerns gleich groß wie jene des Mantels ist. Die Öffnung wurde in befriedigender Weise geschlossen, wenn das Verhältnis V^/Vp gleich 1/20 war, und es ist zu erwarten, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem so niedrigen Wert wie 1/50 für das Verhältnis V^./Vp durchgeführt werden kann. Wird das Verhältnis V^/Vq ^so niedrig wie etwa 1/100, dainkonsolidieren die kernbildenden Glasteilchen vor den mantelbildenden Glasteilchen. Das Kernglas beginnt daher zu konsolidieren und fließen, während die Geometrie"des Mantelglases relativ fix bleibt. Ist die Viskosität des Kernglases viel niedriger als jene des Mantelglases, und ändert sich die Viskosität abrupt an ihrer gemeinsamen Grenzfläche, so kann an dieser Grenzfläche eine Trennung erfolgen, wenn das Kernglas zuerst verdichtet wird und sich vom noch unkonsolidierten Mantelglas abzieht. Diese unerwünschte Kombination von Bedingungen wurde

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für eine Kernglaszusammensetzung von etwa 60 Gew.-% SiO₂, 25 Gew.-% GeO₂ und 15 Gew.-# B₂O₅ und eine Mantelglaszusammensetzung von etwa 98 Gew.-% SiOp und 2 Gew.-% BpO_. Ein Viskositätsverhältnis V^/Vp zwischen 1/2 und 1/2o ergibt brauchbare Resultate, ein Verhältnis zwischen 1/5 und 1/10 ist vorzuziehen. Der letztgenannte Bereich für das Viskositätsverhalten ergibt innerhalb einer annehmbaren Zeitspanne, d.s. weniger als etwa 2 h, relativ unverzerrte, konsolidierte Ziehrohlinge.

Wird der Gasdruck in der öffnung der Vorform kleiner gemacht als der in der Umgebung der Vorform und außerhalb dieser herrschende Druck, so neigt die öffnung der Vorform dazu, sich rascher zu schließen. In Fig. 4 wird ein Stopfen 88 verwendet und das Ventil 82 ist geöffnet, während das Ventil 84- geschlossen bleibt. Eine Vakuumpumpe 78 schafft daher in der Öffnung 54 einen niedrigeren Druck in bezug auf die Atmosphäre im Ofen 60. Die Verbesserung in der zum Schließen der öffnung erforderlichen Zeit geht aus der Kurve gemäß Pig. 7 hervor, in welcher die relative Zeit zum Schließen der öffnung als Funktion des Verhältnisses der Viskositäten von Mantel und Kern für ein Verhältnis von Kerndurchmesser zu Außendurchmesser von 0,707 aufgetragen ist. Die Kurve 96 betrifft eine Verdichtung ohne verminderten Druck in der öffnung 54-, die Kurve 97 betrifft einen Verdichtungsvorgang, bei welchem ein um etwa 67 mbar (2 in Hg) verminderter Druck an die öffnung 54 angelegt wird, und die Kurve 98 betrifft einen Verdichtungsvorgang, bei welchem ein um etwa 675 mbar verminderter Druck an die öffnung 54 angelegt wird. Das auf die Anwendung eines verminderten Druckes auf die öffnung der Vorform zurückzuführende Ausmaß in der Verringerung der Dauer des Verdichtungsvorganges wird wie folgt bestimmt. Angenommen, das Verhältnis des Kerndurchmessers zum Außendurchmesser einer Vorform aus Teilchen sei 0,707 und das Verhältnis der Viskosität des Mantels zu jener des Kerns 10:1, so ist das Verfahren durch den Punkt A auf der Kurve 96 dargestellt, wenn kein Vakuum angewendet wird. Wird das gleiche Verdichtungsverfahren angewendet, wobei aber ein um etwa 67 mbar verminderter Druck auf die öffnung 54 angewendet wird, so wäre das Verfahren nun durch den Punkt B auf der Kurve 97 repräsen-

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tiert. Die relative Zeitdifferenz zwischen den Punkten A und B beträgt etwa eine Zehnerpotenz. Angenommen, das Verfahren ohne Anwendung eines Vakuums erfordere 5h, so ist es ersichtlich, daß die Anwendung eines verminderten Druckes von etwa 67 mbar die zum Schließen der öffnung erforderliche Zeit auf nur etwa 0,5 h vermindern würde. Aus der relativen Zeitdifferenz zwischen den Punkten B und C ergibt sich, daß eine weitere Verminderung der Zeit um fast eine weitere Zehnerpotenz erzielt würde, wenn der Druck um etwa 675 mbar vermindert würde. Bei sonst gleichen Bedingungen wären also zum Verdichten der Vorform nur mehr geringfügig mehr als 0,05 h erforderlich. Wird der Druck innerhalb der Öffnung der Vorform zu niedrig, dann können sich zwei gegenüberliegende Wände der Öffnung gegeneinander abflachen, was zu einei* Verzerrung des Kerns führen würde. Die öffnung schließt sich gleichmäßig, d.h. ohne ein Kollabieren der Wand, wenn das Schließen allmählich erfolgt, d.h. wenn mehr als 10 min zum Schließen der öffnung erforderlich sind. Zur Erzielung bester Hesultate sollte das Schließen der öffnung höchstens etwa 120 min dauern.

Ein weiterer Faktor, der die relative Zeit zum Schließen der öffnung beeinflußt, ist das Verhältnis des Kerndurchmessers zum Gesamtdurchmesser der Easer. Es wurde festgestellt, daß die Verdichtung und das Schließen der öffnung der Vorform rascher fortschreiten, wenn der Kerndurchmesser ein größerer Bruchteil des Außendurchmessers wird.

Es wurde bereits weiter oben erwähnt, daß die Anwendung einer heliumreichen Atmosphäre während der Anfangsstadien des Verdichtungsvorganges vorteilhaft ist, wenn die Glasteilchen unter Bildung eines dichten, von Teilchengrenzflächen freien Glases konsolidieren. Werden die AnfangsStadien des Verdichtungsvorganges ohne Anschluß der Vakuumpumpe 78 3Jl die öffnung 54· durchgeführt, so wii?d die öffnung mit Helium gefüllt, das in der öffnung mit dem Stopfen 88 oder einer ähnlichen Vorrichtung

zum Schließen der öffnung, die an dem der öffnung gegenüberwird

liegenden Ende befestigt ist, eingeschlossen/. Während des restlichen Verdichtungsvorganges, bei welchem sich die öffnung schließt, kann das Helium aus dem dichten Glasrohling durch

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-rf-

die Wände herausdiffundieren. Nach der Verdichtung der kann der Vorgang des Herausdiffundierens noch dadurch unterstützt werden, daß die Ofenatmosphäre auf eine heliumfreie Atmosphäre geändert wird. So kann beispielsweise das Ventil geschlossen und das Ventil 65 geöffnet werden und das Abströmen von Sauerstoff aus der Quelle 66 kann erhöht werden, um den Ofen 60 mit einer aus Stickstoff und Sauerstoff bestehenden Atmosphäre zu beschicken. Nach einer alternativen Vorgangsweise kann eine Quelle für Luft an die Leitung 70 während jenes Verfahrensabschnittes angeschlossen werden, nachdem die Teilchen konsolidiert wurden, aber bevor das Loch geschlossen ist.

Wurde die Vakuumpumpe 78 zur Erzeugung eines Niederdruckes in der öffnung 54- während der Anfangsstadien des Verdichtungsvorganges verwendet, so kann die öffnung 54- durch Schließen des Ventils 82 und öffnen des Ventils 84-, zum Abziehen von Helium aus der Quelle 80 in die öffnung der Vorform, mit Helium gefüllt werden. Das Evakuieren der öffnung 54- und Wiederfüllen mit Helium kann mehrmals x^iederholt werden, um die Reinheit des darin eingeschlossenen Heliums zu erhöhen. Danach kann die Ofenatmosphäre auf eine heliumfreie Atmosphäre gewechselt werden, wie oben bereits erwähnt, um die Diffusion von Helium aus der öffnung zu verstärken. Nachdem Helium in die Öffnung 54- eingebracht wurde, u.zw. durch Einsaugen von Helium in die öffnung nach deren Evakuierung, kann es erwünscht sein, das am Rohr anliegende Ende der öffnung 54· abzudichten. Dies kann so erfolgen, daß die Vorform wenigstens teilweise aus dem Ofen herausgezogen und örtlich Wärme auf die obere Spitze der Vorform mittels einer Flamme angewendet wird, um das Schließen der öffnung in der Region des örtlichen Erwärmens zu beschleunigen.

Es ist zweckmäßig, das Verdichten der Glasteilchen zu einem dichten Glas und das Schließen der öffnung 54- in einem einzigen Einführungsvorgang der Vorform in den Verdichtungsofen durchzuführen. Die zum vollständigen Konsolidieren einer Vorform

der

und zum Schließen der in/Vorform ,befindlichen öffnung erfor-

dadurch ^ö

derliche Zeit kann empirisch/festgestellt werden, daß man die Vorform periodisch aus dem Ofen herauszieht und die Größe der öffnung beobachtet. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch jene

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Verfahren, bei welchen zwei oder mehr Einführungsvorgänge der Vorform/Vor dem vollständigen Schließen der öffnung durchgeführt werden. Die teilweise konsolidierte Vorform kann jedoch nicht vor dem Schließen der öffnung 54- auf Raumtemperatur abkühlen gelassen werden, u.zw. deshalb nicht, weil dann die Gefahr von Brüchen besteht, die ihren Ausgang an der Oberfläche dieser öffnung nehmen,,

Sobald eine Vorform konsolidiert und die öffnung geschlossen wurde, kann der so erhaltene Ziehrohling auf Raumtemperatur gekühlt werden, bevor er zu einer Easer gezogen wird . Ziehrohlinge werden gewöhnlich gereinigt, zur Bildung eines Flansches an einem Ende, des Rohlings mit Flammen bearbeitet und am anderen Ende des Rohlings mit einer sich verjüngenden Anfangsspitze versehen. Die Rohlingewerden dann nochmals, unter Verwendung eines entfettenden Lösungsmittels, gereinigt, mit Fluorwasserstoffsäure gewaschen und mit Wasser gespült, unmittelbar bevor sie in den Faserziehofen kommenc Beim Ziehen wird die Atmosphäre des Ziehofens geregelt, z.B. 50 % Stickstoff und 50 % Sauerstoff. Das Einführen des Rohlings in den heißen Ofen, dessen Temperatur zwischen 1600⁰C und 1900⁰C liegen kann, erfolgt langsam, z.B. mit einer Geschwindigkeit von etwa 4-,5 cm/h. Die •Faserziehgeschwindigkeit beträgt etwa 0,5 m/sec.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren am vorteilhaftesten in Verbindung mit der Herstellung von optischen Wellenleiterfasern angewendet wird, so ist es dennoch auch zur Bildung von anderen optischen Einrichtungen wie Linsen, optischen Fenstern mit niedrigen Verlusten, od.dgl» brauchbar. In Fig. 8 wird ein verdichteter Rohling 99 in eine Vielzahl von Scheiben 100 geschnitten. Enthält der Rohling reine Schmelzkieselsäure, so können die Scheiben als optische Fenster verwendet werden. Ist der Rohling nach den Lehren der obgenannten US-Patentschrift 3,825,995 und 31826,560 hergestellt worden, wonach der Brechungsindex von der Achse bis zur Peripherie allmählich abnimmt, so können die Scheiben als Linsen fungieren.

Da das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Schließen der öffnung während des Verdichtungsvorganges führt, wurde die freie Oberfläche in der Mitte des Rohlings, die bisher wegen

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der dort auftretenden Zugkräfte zu Brüchen geführt hat, eliminiert. Es können daher Kern- und Mantelmaterialien mit relativ großen Unterschieden in ihren Ausdehnungseigenschaften zur Erzeugung von optischen Wellenleitern verwendet werden, was zu optischen Wellenleitern mit größeren numerischen Aperturen führt. Außerdem wurde die Reinigung des Rohlings vereinfacht, weil eine Verunreinigung der öffnung ausgeschaltet wurde.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen näher erläutert. In diesen Beispielen, die die Herstellung von optischen Wellenleitern "betreffen, "beträgt der Innendurchmesser der feuerfesten Auskleidung des Ofens 8,26 cm und die Länge derselben 127 cm.

Beispiel 1 : Ein rohrförmiger Grundkörper aus geschmolzenem Quarz, Durchmesser etwa 0,6 cm, Länge etwa 200 cm, wird an einem Griff befestigt. Flüssiges SiCl^, flüssiges GeCl^ und BCl₃, werden in ersten, zweiten und dritten Behältern auf 32⁰C bzw. 42⁰C bzw. 20°C gehalten. Trockener Sauerstoff wird durch den ersten Behälter mit einer Geschwindigkeit von 2000 ml /i&in und durch den zweiten Behälter mit einer Geschwindigkeit von 800 ml/min durchperlen gelassen. BCl-, wird aus dem dritten Behälter mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 ml/min abgezogen. Die so erhaltenen und von Sauerstoff mitgetragenen Dämpfe werden miteinander vereinigt und durch eine Gas-Sauerstoff—!"lamme geleitet, in welcher der Dampf unter Bildung eines konstanten Teilchenstromes mit der Zusammensetzung 70 Gew.-% SiO^, 25 Gew.-% GeO₉ und 5 Gew.-% B^O₅, und mit einem Brechungsindex von etwa 1,4-76 oxidiert wird. Der Strom wird auf den Grundkörper gerichtet und auf diesen ein Teilchenüberzug aus Teilchen der angegebenen Zusammensetzung bis zu einem Durchmesser von etwa 3 cm aufgebracht. Dann wird auf dem ersten Teilchenüberzug ein zweiter Überzug aus etwa 98 Gew.-% SiOp und 2 Gew.-% ^Bp°3 ^da~ durch aufgebracht, daß man den Sauerstoffstrom zum flüssigen GeCl^ abbricht und den Strom von BCl-, aus dem dritten Behälter auf etwa 4-0 ml/min verringert, während der Sauerstoff strom durch den ersten Behälter auf einer Geschwindigkeit von etwa 2000 ml/min aufrecht erhalten wird. Der Brechungsindex dieses zweiten Überzuges ist etwa 1,457· Dieser Mantel aus Teilchen wird so lange

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-yc-

aufgetragen, "bis ein Außendurchmesser von etwa 6 cm erreicht ist. Der Grundkörper wird aus der Vorform aus Teilchen herausgezogen, wobei eine hohle Vorform mit 6 cm Durchmesser, $0 cm

Durchmesser Länge und einer durchgehenden Öffnung mit 0,6 cm/.zurückbleibt. Bei 1300⁰G beträgt die Viskosität des ersten Teilchenüberzuges etwaΊθ"*^P, während jene des zweiten Überzuges etwa 10 P beträgt.

Ein Ende der Vorform wird an einem Träger wie dem Stützteil 50 in Fig.4 befestigt, wobei Platindraht zum Befestigen des oberen Endes der Vorform an diesem Träger verwendet wird« Der Träger unterscheidet sich jedoch von jenem gemäß Fig. 4 insöferne, als er nicht hohl ist und auch keinen Teil aufweist, der in die öffnung der Vorform hineinragt. Das Ventil 65 in Pig. 4· bleibt geschlossen, während die Ventile 67 und 69 geöffnet werden, um durch sie hindurch Sauerstoff und Helium strömen zu lassen. Die Strömungsregler werden so eingestellt, daß Helium mit einer Geschwindigkeit von 20 l/min und Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 20 ml/min einströmen gelassen werden. Die Vorform wird in den Ofen mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/min abgesenkt, wobei die maximale Ofentemperatur etwa 1450^oG beträgt. Nachdem die gesamte Länge der Vorform durch die heiße Zone des Ofens geleitet wurde, was etwa 70 min erfordert, wird der konsolidierte Ziehrohling mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,0 cm/min aus dem Ofen herausgezogen. Das so erhaltene Gebilde wird bei etwa 1800°C gezogen, um seinen Außendurchmesser zu vermindern. Das Ziehen wird fortgesetzt, bis der Durchmesser des fertigen Wellenleiters von etwa 125/um erreicht ist, wobei der Kerndurchmesser etwa 62/um beträgt. Da derZdehroBLingkeine öffnung enthält, die während des Ziehens geschlossen werden muß, kann die Faser mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1,0 m/sec gezogen werden. Die numerische

optischen
Apertur der so erhaltenen/Wellenleiterfaser beträgt etwa 0,24.

Beispiel 2 : Es wird eine Vorform aus Teilchen gemäß Beispiel 1 hergestellt. Nachdem der Grundkörper entfernt wurde, wird die Vorform an einem Träger der in Fig. 4 dargestellten Art befestigt, wobei ein Rohr 58 in das obere Ende der Öffnung eingeführt wird. Ein Stopfen aus einem Borsilikat-

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2£

³⁰ 2S27303

glas mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten wird in das untere Ende der Öffnung eingeführt. Eine an die Öffnung der Vorform angeschlossene Vakuumpumpe wird so eingestellt, daß sich in der Öffnung der Vorform ein partielles Vakuum von etwa 33,8 mbar (1 in Hg) ergibt.

Sauerstoff und Helium werden in den Boden des Ofens mit den in Beispiel 1 angegebenen Geschwindigkeiten und die Vorform in den Kopf des Ofens mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 cm/min eingeführt, wobei die Verdichtung der Teilchen und die Schließung der Öffnung der Vorform in etwa 15 min beendet sind.

Beispiel 3 · Es wird eine Vorform aus Teilchen gemäß Beispiel 1 hergestellt= Nach dem Entfernen des Grundkörpers wird die Vorform an einem Träger der in Fig. 4 dargestellten Art befestigt, wobei ein Rohr 58 in das obere Ende der Öffnung eingeführt wird. Ein Stopfen aus Borsilikatglas mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten wird in das untere Ende der Öffnung gesteckt. Ein mit der Öffnung der Vorform verbundenes Vakuumsystem wird so eingestellt, daß in der Öffnung der Vorform ein Teilvakuum von 675 mbar entsteht. Sauerstoff und Helium werden in den Boden des Ofens mit den in Beispiel 1 angegebenen Geschwindigkeiten einströmen gelassen. Die Ofen— temperatur beträgt in der Ofenmitte 1580⁰G, wobei die Temperatur auf die in Fig. 5 dargestellte Art bis auf einen Wert von etwa 500⁰C in der Nähe des Kopfes bzw. des Bodens des Ofens abnimmt. Die Vorform wird in den Ofen mit einer Geschwindigkeit von 0,5 cm/min abgesenkt. Nach dem Eintritt der Vorform in den Ofen, aber noch bevor sie die heiße Zone in der Ofenmitte erreicht hat, wird die Vorform einem Haltezyklus unterworfen, in welchem ihre Vorwärtsbewegung in den Ofen hinein vorübergehend aufgehalten wird. Das Ventil zum Vakuumsystem wird geschlossen und jenes zum Helium geöffnet, wodurch die Öffnung der Vorform mit Helium gefüllt wird. Der anfängliche Zyklus wird wiederholt, wobei die Öffnung evakuiert und anschließend mit Helium gefüllt wird. Das Absenken der Vorform in den Ofen, mit einer Geschwindigkeit von 0,5 cm/min wird dann wieder aufgenommen. Während die Vorform die heiße Zone

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durclaläuft, konsolidiert sich die Vorform und die öffnung schließt sich. Nachdem die gesamte Vorform die heiße Zone passiert hat, kommt ihre Abwärtsbewegung zum Stillstand. Die Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes wird auf 2000 ml/min erhöht, das Helium wird abgeschaltet und Stickstoff wird durch den Ofen mit einer Geschwindigkeit von 10 l/min strömen gelassen. Der konsolidierte Ziehrohling wird dann aus dem Ofen genommen und gemäß Beispiel 1 zu einem optischen Wellenleiter gezogen.

Beispiel 4- : Ein rohrförmiger Grundkörper aus geschmolzenem Quarz, Durchmesser etwa 0,6 cm, Länge etwa 200 cm, wird an einem Griff befestigt» Auf 20⁰C gehaltenes, flüssiges SiCl_x^ wird in einem ersten Behälter und auf 88⁰C gehaltenes flüssiges TiCl_-1, in einem zweiten Behälter bereit gestellt. Trockener Sauerstoff wird durch beide Flüssigkeiten perlen gelassen, so daß die Dämpfe jeder Flüssigkeit von dem Sauerstoff mitgetragen werden. Der Sauerstoff wird anfänglich durch das SiCl_x, mit einer Geschwindigkeit von 5000 ml/min und durch das flüssige TiCl_x,- mit einer Geschwindigkeit von 118 ml/min perlen gelassen. Unter diesen Bedingungen enthalten die mit dem Sauerstoff mitgetragenen Dämpfe 2,3 Mol-% TiCl_x^ und 97,7 Mol-% SiCl.. Wird dieses Gemisch von Dämpfen in der Flamme eines Flammhydrolysebrenners hydrolysiert, so bilden sich Teilchen mit der Zusammensetzung 3 Gew.~% TiO^ und 97 Gew.-% SiOp und einem Brechungsindex von 1,4662 für Licht mit einer Wellenlänge von 5893 &· Diese Teilchen werden in einer Dicke von etwa 0,4-5 auf einem sich drehenden und hin- und herbewegten Dorn niedergeschlagen. Nach dem Aufbringen der ersten Teilchenschicht wird die Strömungsgeschwindigkeit des trockenen Sauerstoffs durch das flüssige TiCl_x. auf etwa 117*7 ml/min vermindert, wobei eine zweite Teilchenschicht mit vermindertem TiOp-Gehalt erhalten wird. Nachdem jede Schicht aufgebracht wurde, wird die Strömungs geschwindigkeit des trockenen Sauerstoffes durch das flüssige TiCl_x. in kleinen Absätzen vermindert, um eine Vielzahl von Schichten aufzubringen, deren jede einen fortschreitend niedrigeren TiOp-Gehalt und demgemäß einen fortschreitend abnehmenden Brechungsindex aufweist, bis die Außenschicht aus reinem

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"besteht. Der Dorn wird aus der Vorform aus Teilchen entfernt, welche nachher gemäß Beispiel 2 konsolidiert wird, wobei ein langgestreckter, fester Glaskörper gebildet wird. Nach dem Abkühlen wird der so erhaltene, zylindrische Glasrohling mit einer Diamantensäge in eine Vielzahl von Scheiben geschnitten, die als optische Linsen fungieren.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Herstellung eines Glasgegenstandes von hoher Reinheit, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Doms (Grundkörper),

Aufbringen eines ersten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des Doms,

Entfernen des Doras unter Bildung einer Vorform aus Teilchen mit einer darin befindlichen öffnung,

Verminderung des in der öffnung herrschenden Druckes auf einen Wert, der unter dem Umgebungsdruck der Vorform aus Teilchen liegt,

Erhitzen der Vorform auf eine genügend hohe Temperatur während einer genügend langen Zeitspanne, um ein Konsolidieren der Teilchen und ein Schließen der öffnung zu ermöglichen, und

Herstellung des gewünschten Glasgegenstandes aus dem so entstandenen Gebilde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebilde zu einer Vielzahl von Scheiben geschnitten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbringung des ersten Überzuges aus Glasteilchen eine Vielzahl von verschiedenen und aufeinanderfolgenden Schichten aus Glasteilchen aufgebracht wird, wobei jede getrennte Schicht in sich selbst eine im wesentlichen gleichförmige Zusammensetzung, aber eine von der vorhergehenden Schicht fortschreitend unterschiedliche Zusammensetzung aufweist, so daß ein Gebilde mit abgestufter, in radialer Eichtung variierender Zusammensetzung entsteht.

4-, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhitzen der Vorform aus Teilchen diese einer Temperatur ausgesetzt wird, die mindestens so hoch ist, wie dies zur Er-

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zielung einer Glasviskosität von 10 P erforderlich ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Entfernen des Dorns ein zweiter Überzug aus Glasteilchen auf die Außenfläche des ersten Überzuges aufgebracht wird, wobei die Glasteilchen des zweiten Überzuges einen Brechungsindex haben, der geringer als jener der Glasteilchen des ersten Über-^ zuges ist, und daß die Viskositäten V_x, bzw. V₂ des ersten bzw. zweiten Überzuges aus Glasteilchen bei der Temperatur, der die Vorform während des Erhitzens unterworfen wird, so bemessen sind, daß das Verhältnis V./Vp in einem Bereich von 1/2 bis 1/20 liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des erhaltenen Gebildes zwecks Bildung des Glasgegenstandes darin besteht, daß das Gebilde auf die Ziehtemperatur seiner Materialien erhitzt und das erhitzte Gebilde gezogen wird, um dessen Querschnittsfläche zu vermindern, wobei ein optischer Wellenleiter entsteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis V^/V₂ in einem Bereich von 1/5 bis 1/10 liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schließen der Öffnung Helium in diese Öffnung eingebracht wird und daß das Schließen der Öffnung von einem Diffundieren des Heliums aus dieser Öffnung durch die konsolidierten Glasteilchen begleitet ist.

9- Verfahren zur Herstellung eines Glasgegenstandes von hoher Reinheit, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Dorns (Grundkörper),

Aufbringen eines ersten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des Dorns,

Aufbringen eines zweiten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des ersten Überzuges, wobei die Glasteilchen des zweiten Überzuges einen Brechungsindex haben, der geringer als jener der Glasteilchen des ersten Überzuges ist,

Entfernen des Dorns unter Bildung einer Vorform aus Teilchen mit einer darin befindlichen Öffnung,

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Erhitzen der Yorf orm auf eine genügend hohe Temperatur ■während einer genügend langen Zeitspanne, um ein Konsolidieren des ersten und zweiten Überzuges aus Glasteilchen und ein Schließen der öffnung zu ermöglichen, wobei die Viskositäten des ersten bzw. zweiten Oberzuges aus Glasteilchen bei der Verdichtungstemperatur so bemessen sind, daß das Verhältnis V₁ZV^ in einem Bereich von 1/2 bis 1/20 liegt, und Herstellung des gewünschten Glasgegenstandes aus dem so entstandenen Gebilde

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des erhaltenen Gebildes zwecks Bildung des Glasgegenstandes darin besteht, daß das Gebilde auf die Ziehtemperatur seiner Materialien erhitzt und das erhitzte Gebilde gezogen wird, um dessen Querschnittsfläche zu vermindern, wobei ein optischer Wellenleiter entsteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis ^,./Vp in einem Bereich von 1/5 "bis 1/10 liegt.

12. Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters mit Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Doms (Grundkörper), Aufbringen eines ersten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des Doms,

Aufbringen eines zweiten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des ersten Überzuges, wobei die Glasteilchen des zweiten Überzuges einen Brechungsindex haben, der geringer als jener der Glasteilchen des ersten Überzuges ist, und

wobei die Viskositäten V^ bzw. V^ des ersten bzw. zweiten Überzuges aus Glasteilchen so bemessen sind, daß das Verhältnis V^/V₂ bei jener Temperatur, bei der die Glasteilchen von entweder dem ersten oder dem zweiten Überzug zuerst eine Viskosität von 10^⁰P erreichen, mehr als 1/50 beträgt,

Entfernen des Doms unter Bildung einer Vorform aus Teilchen mit einer darin befindlichen öffnung,

Erhitzen der Vorform auf eine genügend hohe" Temperatur während einer genügend langen Zeitspanne, um ein Konsolidieren der Teilchen und ein Schließen der Öffnung zu ermöglichen, und

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Eriiitzen des so entstandenen Gebildes auf die Ziehtemperatur seiner Materialien und Ziehen des erhitzten Gebildes, um dessen Querschnittsf lache zu vermindern, wobei ein optischer Wellenleiter entsteht.

13- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis V^/V^ ^- einem Bereich von 1/5 "bis 1/20 liegt.

. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Vorform auf eine genügend hohe Temperatur darin "besteht, die Vorform auf eine Temperatur zu erhitzen, "bei der die Viskosität des Kernglases in einem Bereich von 10' his 10⁸ P liegt.

15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des Erhitzens der Vorform, um die Teilchen zu konsolidieren, der Druck innerhalb der Öffnung auf einem geringeren Vert als dem Druck der Umgebung der Vorform gehalten wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zeitpunkt des Schließens der Öffnung Helium in die Öffnung eingeleitet wird, wobei das Schließen der Öffnung von einem Diffundieren des Heliums.von der Öffnung durch die konsolidierten Glasteilchen begleitet ist.

· Verfe^^en nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform während der Stufe des Erhitzens der Vorform einer heliumreichen Atmosphäre ausgesetzt wird und daß die Vorform nach dem Einleiten von Helium ,in die Öffnung einer heliumfrei'.en Atmosphäre unterworfen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis V^/V₂ in einem Bereich von 1/5 bis i/10 liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß nach der Stufe des Entfernen des Doms das eine Ende der Öffnung abgedichtet und das andere Ende der Öffnung mit einer Vakuumpumpe verbunden wird.

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20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform während der Stufe des Erhitzens der Vorform einer heliumreichen Atmosphäre ausgesetzt wird und daß die Vorform nach dem Konsolidieren der Teilchen zu einem dichten Glas, aher noch vor dem Zeitpunkt des Schließens der Öffnung, einer heliumfreien Atmosphäre unterworfen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Stufe des Erhitzens der Vorform 10 bis 120 min beträgt.

22. Verfahren zur Herstellung eines Glasgegenstandes von hoher Reinheit in Form eines optischen Wellenleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Doms (Grundkörper), Aufbringen eines ersten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des Dorns,

Aufbringen eines zweiten Überzuges aus Glasteilchen auf die Außenfläche des ersten Überzuges, wobei die Glasteilchen des zweiten Überzuges einen Brechungsindex haben, der geringer als jener der Glasteilchen des ersten Überzuges ist, und

wobei die Viskositäten V^ bzw. V„ des ersten bzw. zweiten Überzuges aus Glasteilchen so bemessen sind, daß das Verhält nis V-i/Vg ^Dei jener Temperatur, bei der die Glasteilchen von entweder dem ersten oder dem zweiten Überzug zuerst eine Viskosität von 10 P erreichen, mehr als 1/50 beträgt,

Entfernen des Dorns unter Bildung einer Vorform aus Teilchen mit einer darin befindlichen Öffnung,

Erhitzen der Vorform auf eine genügend hohe Temperatur während einer genügend langen Zeitspanne, um ein Konsolidieren der Teilchen und ein Schließen der Öffnung zu ermöglichen, und

Erhitzen des so entstandenen Gebildes auf die Ziehtemperatur seiner Materialien und Ziehen des erhitzten

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Gebildes, um dessen Querschnittsfläche zu vermindern, wobei ein optischer Wellenleiter entsteht.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis V./V_o in einem Bereich von 1/5 bis 1/20 liegt.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Vorform auf eine genügend hohe Temperatur darin besteht, die Vorform auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der die Viskosität des

7 R Kernglases in einem Bereich von IO bis 10 P liegt.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Erhitzens der Vorform, um die Teilchen zu konsolidieren, der Druck innerhalb der Öffnung auf einem geringeren Wert als dem Druck der Umgebung der Vorform gehalten wird.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zeitpunkt des Schließens der Öffnung Helium in die Öffnung eingeleitet wird, wobei das Schließen der Öffnung von einem Diffundieren des Heliums von der öffnung durch die konsolidierten Glasteilchen begleitet ist.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform während der Stufe des Erhitzens der Vorform einer heliumreichen Atmosphäre ausgesetzt wird und daß die Vorform nach dem Einleiten von Helium in die Öffnung einer heliumfreien Atmosphäre unterworfen wird.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis V\./V ₂ in einem Bereich von 1/5 bis 1/10 liegt.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Stufe des Entfernens des Dorns das eine Ende der Öffnung abgedichtet und das andere Ende der öffnung mit einer Vakuumpumpe verbunden wird.

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30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform während der Stufe
des Erhitzens der Vorform einer heliumreichen Atmosphäre
ausgesetzt wird und daß die Vorform nach dem Konsolidieren
der Teilchen zu einem dichten Glas, aber noch vor dem Zeitpunkt des Schließens der Öffnung, einer heliumfreien Atmosphäre unterworfen wird.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Stufe des Erhitzens der Vorform 10 bis 120 min beträgt.

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