DE2907833A1

DE2907833A1 - Verfahren zur herstellung von beschichteten glaskoerpern

Info

Publication number: DE2907833A1
Application number: DE19792907833
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Ing Dr Techn Papp; Hartmut Dipl Chem Dr Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1980-09-11
Also published as: FR2450240B1; US4312653A; FR2450240A1; GB2043624A; JPS6114086B2; DE2907833C2; GB2043624B; JPS55121921A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA ^g ρ 7 0 2 4 BRO

Verfahren zur Herstellung von beschichteten Glaskörpern

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Glaskörpern, insbesondere für die Herstellung von Glasfaser-Lichtwellenleitern, bei dem auf eine Oberfläche eines rotierenden Körpers glasbildende Stoffe oder Glas enthaltende Stoffe aufgebracht und in eine Glasschicht umgewandelt werden, indem eine lokale Hsizzone im Körper erzeugt wird, die einen vorbestimmten Bereich des Körpers durchwandert.

Ein Beispiel eines Verfahrens der eingangs genannten Art ist das Verfahren der chemischem Dampfabscheidung (CVD-Verfahren, siehe Appl- Phys. Lett. Vol. 28, Nr. 11, 1. Juni 76 und die darin angegebenen Fundstellen, insbesondere Nr. 1 bis 3). Bei einem solchen Verfahren wird als Glaskörper ein Glasrohr verwendet, dessen Innenwand beschichtet wird, indem ein Gasstrom durch das sich drehende Rohr geleitet wird und das Rohr durch eine Heizvorrichtung in einem kurzen Stück stark erhitzt wird,, so daß chemische Reaktionen zur Abscheidung der glasbildenden Stoffe aus
Ed 1 Sti/20.2.79 Q_3003770063

^VPA 79 P 7 0 2 ή BRD

dem Gas stattfinden können. Die Heizvorrichtung wird langsam in Längsrichtung des Rohres verschoben, so daß die Heizzone im Rohr dieses langsam durchwandert.

Glasfasern aus einem solchen innenbeschichteten Rohr werden bekannterweise so erzeugt, daß das Rohr zum Stab verformt und daraus die Faser durch hinreichendes Erhitzen des Stabendes gezogen wird. Es entsteht dabei eine Faser mit Stufenindexprofil.

So hergestellte Fasern erweisen sich jedoch als depolarisierend, doppelbrechend oder auch optisch aktiv.

Für die praktische Anwendung sind aber vielfach Fasern erwünscht, die weder depolarisierend und doppelbrechend noch optisch aktiv sind. Beispielsweise eigneten sich Monomode-Glasfasern, die mit einem vorstehend angegebenen Verfahren herstellbar sind, hervorragend zur übertragung kurzer Lichtimpulse in der Nachrichtentechnik, wenn bei realen Fasern nicht Fortpflanzungsverzögerungen zwischen den beiden orthogonal polarisierten Zuständen des Grundmodes und damit eine unerwünschte Verminderung der Informations-Ubertraungskapazität aufträte. Bei anderen Anwendungen wird beispielsweise eine definierte Polarisation des austretenden Lichts gefordert. Dies gilt für interferometrische Verfahren, wie etwa die faseroptische Rotationsmessung, und für magnetooptische Verfahren, wie faseroptische Stromstärkemessung.

Zu den Ursachen für die unerwünschten Eigenschaften der realen Glasfasern zählen Abweichungen des Faserkerns von der Zylindersymmetrie oder eine Anisotropie des Materials.

030037/0053

Zur Erhöhung der Zylindersymmetrie ist aus der DE-OS 26 25 010 bereits ein Verfahren bekannt, bei dem während der Verformung des Glasrohres ein erhöhter Gasdruck im verbleibenden Rohrteil erzeugt und aufrechterhalten wird. Eine auf diese Weise hinsichtlich ihrer Zylindersymmetrie verbesserte Faser weist zwar eine deutliche Verminderung der Doppelbrechung im Vergleich zur Faser geringerer Symmetrie auf, eine Restdoppelbrechung sowie eine optische Aktivität bleiben jedoch bestehen, aus deren Ursache von den Erfindern der vorliegenden Erfindung eine Anisotropie im Beschichtungsmaterial vermutet wurde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß Anisotropien im Beschichtungsmaterial weitgehend verschwinden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Drehrichtung relativ zur Richtung, in der die Heizzone den Bereich durchwandert, gewechselt und/oder eine neue Durchwanderung mit einerDrehstellung des Körpers begonnen wird, die gegenüber derjenigen bei Beginn der vorangegangenen Durchwandung verändert ist.
25

Dabei liegt der Gedanke zugrunde, für eine erzeugte Glasschicht, die mit einer Unsymmetrie behaftet ist, eine Glasschicht zu Erzeugen, die eine entgegengesetzte Unsymmetrie aufweist, so daß sich die Unsymmetrien dieser Glasschichten gegenseitig kompensieren.

Zweckmäßig ist es dabei, wenn die Drehrichtung jedesmal gewechselt wird, nachdem ein Durchwanderungszyklus beendet ist und bevor ein neuer beginnt.

Es empfiehlt sich dabei, daß bei den aufeinanderfolgenden

030037/0053

VPA 79 P 7 0 2 h BRD

Drehrichtungswechseln der neue Durchwanderungszyklus abwechselnd mit der Drehstellung des Körpers begonnen wird, die er bei Beginn des vorangegangenen Durchwan^ derungszyklus eingenommen hat und dann mit einer dergegenüber veränderten Drehstellung.

Es empfiehlt sich dabei weiter, wenn die veränderte Drehstellung um 180° gegenüber der Drehstellung bei Beginn des vorangegangenen Durchwanderungszyklus verdreht wird.

Vielfach genügt es auch, zur Ausgleichung besagter Unsymmetrien so vorzugehen, daß die Drehrichtung des Körpers relativ zur Durchwanderungsrichtung der Heizzone beibehalten wird und jeder neue Durchwanderungszyklus mit einer Drehstellung des Körpers begonnen wird, die gegenüber derjenigen bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung um 180 verdreht ist.

Die Erfindung wird anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele geben nacheinander die Herstellung eines beschichteten Rohres, eines beschichteten Stabes und eines beschichteten Tellers an.

1. Beispiel:

Ein etwa ein Meter langes Quarzglasrohr von 20 mm Außendurchmesser und 17 mm Innendurchmesser wird horizontal in eine Glasdrehbank eingespannt. Ein Ende dieses Rohres wird mit einer drehbaren Gasdurchführung verbunden. Durch diese Gasdurchführung läßt man etwa 1100 Nml/min reinen Sauerstoff durch das Rohr strömen.

Zur Beheizung des Rohres dienen zwei fahrbare Getrenntgas-Knallgasbrenner mit etwa 50 mal 100 mm großen Düsen-

030037/0053

köpfen, die versetzt um 180° und in der Horizontalen angeordnet, von beiden Seiten auf das Rohr gerichtet sind. Die Brenner bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 15 cm/min entlang des Rohres zwischen den Ein-Spannfuttern und erzeugen dabei 3ine lokale Heizzone, in der eine maximale Rohrtemperatur von etwa 1900° K herrscht und die einen Längsbereich des Rohres zwischen den Futtern in Längsrichtung durchwandert. Bei Beendigung einer Durchwanderung an einem Ende des Bereiches kehren die Brenner ohne das Rohr zu beheizen in die Ausgangsposition am anderen Ende des Bereiches zurück. Vor dem nächsten Heizzyklus wird die Drehrichtung des mit etwa einer Umdrehung pro Sekunde sich drehenden Rohres gewechselt. Nachdem das Rohr eine definierte Drehstellung erreicht hat, startet der Brenner erneut. Nach zwei derartigen Zyklen beginnt die Heizung bei einer um 180° gegenüber der definierten Drehstellung verdrehten Drehstellung des Rohres.

Nach einigen Vorheizzyklen werden dem von links in das Rohr einströmenden Sauerstoff für die Synthese des Mantelglases 90 Nml/min SiCT^ und 9 Nml/min BCl*-Gas beigemischt. Für die Herstellung des Kernglases wird die BCl,-Zufuhr unterbrochen und die SiCl^-Zufuhr halbiert.

In der durch den Brenner verursachten Heizzone im Rohr findet die Umsetzung der Chloride zu zunächst pulvrigen Oxiden als glasbildende Stoffe statt, die sich auf der Innenwand des Rohres niederschlagen und dort von der vorrückenden Heizzone zu einer mehrere /um dicken Glasschicht klargeschmolzen werden. Für das Mantelglas werden fünfzig derartige Schichten aus SiO₂-B₂O,-Glas aufgeschmolzen, für das Kernglas zwei Schichten aus

Ein solches fertig beschichtetes Rohr wurde unter Verwendung des Verformungsverfahrens der DE-OS 26 25 010 zum Stab verformt und daraus eine Faser von 5/um Kern-

030037/0053

•J8- VPA⁷⁹ P7024BRD

durchmesser und 65/um Gesamtdurchmesser gezogen. Mit der Brechzahldifferenz von ^n ^ 0,003 und der Kernbrechzahl von η Q 1,46 besaß die Faser Monomode-Eigenschaften für Licht der Wellenlänge 633/um, was aus der Messung der Fernfeld-Intensität folgte.

Zur polarisationsoptischen Untersuchung wurde ein 20 m langes Faserstück auf einen gewinkelten Wickelkörper aufgewickelt, der zwei einen Winkel von 90° einschließende Wickelebenen besaß und dadurch die Kompensation der bei der Aufwicklung entstehenden krümmungsbedingten Doppelbrechung gestattete. Bei der gewinkelt aufgewickelten Faser fand man lediglich eine Phasenverschiebung von 0,03°/m zwischen den orthogonal polarisierten HEL^-Modenzuständen. Damit wies die Faser eine sehr geringe formunabhängige Doppelbrechung auf.

Bevor die beiden anderen Beispiele beschrieben werden, seien kurz die Überlegungen und Tatsachen aufgeführt ,> die zur vorliegenden Erfindung führten und die demnach auch für die folgenden beiden Beispiele gelten.

Die polarisationsoptische Untersuchung einer runden Faser, die allein durch Erhöhung des Gasdrucks während der Verformung des Rohres zum Stab erzeugt wurde, ergab zwar eine deutliche Verminderung der Doppelbrechung im Vergleich zur unsymmetrischen Faser, eine Restdoppelbrechung sowie eine optische Aktivität blieben jedoch bestehen. Es wurde nun gefunden, daß die beobachtete Phasenverschiebung in Beziehung zur Rotationsgeschwindigkeit des Rohres und zur Vorschubgeschwindigkeit der Heizzone steht. Während einer Rotation bewegt sich die Heizzone um die Ganghöhe, die durch das Verhältnis aus Vorschubgeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit bestimmt ist. In einem Faserstück, dessen Volumen gleich dem Volumen der Faservorform der Gang-

030037/0053

-Χ- VPA 79 P 7 0 2 4 BRD

höhe ist, beträgt die Phasenverschiebung häufig in guter Näherung 360°. Demzufolge wurde vermutet, daß die Doppelbrechung eine Folge der schraubenförmigen Beheizung und Abscheidung ist.

Unter Umständen manifestiert sich die unsymmetrische Beheizung auch in der Form des Kerns, der eine Schraubenform annimmt. Die Ganghöhe der Schraube entspricht dem Verhältnis aus Translations- und Rotationsgeschwindigkeit der Heizzone relativ zum Rohr. Läßt man ein innen beschichtetes Rohr auskühlen, so neigt die aufgetragene Glasschicht wegen ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehung zur Rißbildung. Solche Risse verlaufen ebenfalls in Schraubenlinien. Daraus kann geschlossen werden, daß die Herstellung zu einer Spannungsschraube im Rohr führt, die als Folge einer ungleichmäßigen Dotierung betrachtet werden kann.

Auf der Suche nach Abhilfe kam man auf den grundlegenden Gedanken, die Unsymmetrie der Einzelschicht durch eine entgegengesetzte Unsymmetrie der nächstfolgenden Schicht bzw. Schichten zu kompensieren. Dies kann durch die vorstehend angegebenen Maßnahmen des Drehrichtungswechselns und/oder der Veränderung der Anfangsdrehstellung erreicht werden.

Dieses Prinzip ist, wie schon angedeutet, nicht auf Glasrohre beschränkt, sondern kann generell immer dort mit Vorteil angewandt werden, wo eine Glasschicht auf eine Oberfläche eines rotierenden Glaskörpers aufzu- -bringen ist. In den nun folgenden beiden-Beispielen werden zwei praktische Fälle dafür angegeben.

2. Beispiel:
Wenn die Glasschichten auf die Zylinderfläche eines

030037/0053

VPA 79 Ρ7 02 4 BRO

Stabes aufgebracht werden, dann kann eine beliebig dicke Gesamtglasschicht hergestellt werden. Dazu wird ein 10 mm dicker Quarzglasstab in eine Glasdrehbank eingespannt. Zur Abscheidung von Glaspulver dient ein fehrbarer Glasbrenner', der sich mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/min den Stab im Längsbereich zwischen den Einspannfuttern der Glasdrehbank entlangbewegt. Der Brenngasmischung wird ein Gasstrom von ca. 70 Nml/min SiCT^ zugefügt, das in der Flamme zu SiO, reagiert und zu einer porösen bis pulvrigen Schicht auf der Umflache des Stabes führt. In Stabrichtung versetzt zum ersten Brenner wird ein zweiter Brenner mitgeführt, der auf dem Stab, eine begrenzte Heizzone erzeugt, die den Längsbereich zwischen den Futtern durchwandert und in der etwa 1900° -' 2000⁰K herrschen. In der vorrückenden Heizzone wird das abgeschiedene Pulver zu einer glasigen Schicht von ungefähr 5/um Dicke klargeschmolzen. Nach Beendigung einer Durchwanderung des Längsbereiches bei einem Ende desselben kehren die Brenner, ohne dabei Pulver abzuscheiden und zu Glas zu schmelzen, in die Ausgangsposition am anderen Ende des Längsbereiches zurück. Nun wird die Drehrichtung des Stabes gewechselt. Nachdem der Stab eine gegenüber der Drehstellung zu Beginn der vorangegangenen Brennerdurchwanderung verdrehte Drehstellung erreicht hat, starten die Brenner erneut. Nach Erreichen einer ausreichenden Schichtdicke wird zur Herstellung des Mantelglases dem SiCl. noch ein BCl₅-Gasstrom von ca. 50 Nml/min beigemischt. Das abgeschiedene Glas enthält dann noch BpO, und besitzt eine niedrigere Brechzahl als das reine SiO-. Damit der Substratstab nach Abschluß der Beschichtung nicht entfernt werden muß, wird zweckmäßigerweise ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestellter Stab verwendet, der mehrfach gestreckt wurde und deshalb nur noch eine dünne Seele von handelsüblichem Quarzglas enthält.

030037/0053

/11

VPA 79 P 7 0 2 4 BRD

Das Verfahren ist besonders geeignet zur Herstellung von Glasstäben für doppelbrechungsarme Glasfasern.

3. Beispiel:

Durch Abscheidung des Glases aus der Gasphase auf einen rotierenden Teller lassen sich ebenfalls zylindrische Körper herstellen. Dieser Prozeß ist für die Herstellung beliebig langer Glasstäbe geeignet. Dazu wird eine zylindrische Quarzglasscheibe über einen auf der ebenen Rückfläche angeschmolzenen Quarzglasstab im Spannfutter einer Drehbank aufgenommen und um ihre Achse gedreht. Gegen die ebene Vorderfläche des Tellers brennt eine Gasflamme, der SiCIr beigemischt wird. Auf dem Teller bildet sich dann eine porös bis pulvrige Ablagerung von SiO₂. Mit Hilfe eines verschiebbaren Schlittens wird der Brenner senkrecht zur Tellerachse über die Telleroberfläche geführt. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtung wird die Verweilzeit des Brenners in der Tellermitte kleiner gehalten als am Tellerrand. Hat der Brenner den gegenüberliegenden Tellerrand erreicht, so wird die SiCl^-Zufuhr unterbrochen und die Fahrrichtung umgekehrt. Während des Brennerrücklaufs wird die Temperatur des Brenners erhöht, wodurch eine lokale Heizzone im Teller entsteht, die ihn über seinen ganzen Durchmesser durchwandert und in der die SiO₂-Schlcht zu einer Glasschicht klargeschmolzen wird. Nach Erreichen der Ausgangsposition beginnt der Brenner mit einem neuen Abscheide- und Klarschmelzzyklus _f. nachdem die Drehrichtung des Tellers gewechselt wurde und der Teller eine gegenüber der Drehstellung der vorangegangenen Zyklen verdrehte Stellung erreicht hat. Speist man in den Brenner eine SiCl^-Gasmenge von 400 NmI/min ein, so erhält man auf einem Teller von 6 cm Durchmesser ein Schichtdickenwachstum von ca. 0,4 cm/h. Aus dem auf diese Weise gewonnenen Stab können dann in bekannter Weise

030037/0053

VPA 79 ρ 7 ο 2 4 BRD

Glasfasern gezogen werden, die sich durch besonders geringe Doppelbrechung auszeichnen.

5 Patentansprüche

030037/0053

Claims

-;< VPA 79 Ρ? 0 2

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von beschichteten Glaskörpern, insbesondere für die Herstellung von Glasfaser-Lichtwellenleitern, bei dem auf eine Oberfläche eines rotierenden Körpers glasbildende oder Glas enthaltende Stoffe aufgebracht und in eine Glasschicht umgewandelt werden, indem eine lokale Heizzone im Körper erzeugt wird, die einen vorbestimmten Bereich des Körpers durchwandert, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung relativ zur Richtung, in der die Heizzone den Bereich durchwandert, gewechselt und/oder eine neue Durchwanderung mit einer Drehstellung des Körpers begonnen wird, die gegenüber derjenigen bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung verändert ist. ■
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehrichtung jedesmal gewechselt wird, nachdem eine Durchwanderung beendet ist und bevor eine neue beginnt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei den aufeinanderfolgenden Drehrichtungswechseln die neue Durchwanderung abwechselnd mit der Drehstellung des Körpers begonnen wird, die er bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung eingenommen hat und dann mit einer dergegenüber veränderten Drehstellung.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet, daß die veränderte Drehst.ellung um 180° gegenüber der Drehstellung bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung verdreht wird.

030037/0053

2307833 -2- VPA ₇₉ ρ _{7 0} 2 /f _BR0
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehrichtung des Körpers relativ zur Durchwanderungsrichtung der Heizzone beibehalten wird und Jede neue Durchwanderung mit einer Drehstellung des Körpers begonnen wird, die gegenüber derjenigen bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung um 180 verdreht ist.

030037/0 053