DE2913726A1 - Verfahren zum herstellen einer vorform fuer optische glasfasern - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer vorform fuer optische glasfasern

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Description

-A-
M.S.Maklad -11
Verfahren zum Herstellen einer Vorform für optische Glasfasern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Erzeugung einer Vorform für optische Glasfasern ist es bekannt, die "Ruß"-Niederschlagsmethode anzuwenden. Bei der Rußniederschlagsinethode wird eine Gasdampfmischung in einer Flamme hydrolysiert/ um pulverförmiges Glasvorläufermaterial, den "Ruß" zu erhalten. Der Gasdampf wird beispielsweise durch Hindurchleiten von Sauerstoff durch Chloride, Hydride oder andere Verbindungen von Silicium oder Siliciumoxid oder von gewünschten Dotierstoffen wie Germanium, erzeugt. Der durch die Hydrolyse des Dampfes in einem Brenner erzeugte Glasruß wird auf einen als Dorn dienenden, sich drehenden Glasstab niedergeschlagen. Der Ruß wird aus einer aim Dorn senkrecht orientierten Richtung niedergeschlagen, und während des Niederschiagens wird der Brenner parallel zur Dornachse bewegt. Auf diese Weise entstehen aufeinanderfolgende Schichten mit konstantem Radius. Eine Vorform mit einem radialen Gradienten im Brechungsindex kann in ähnlicher Weise durch Änderung der Dotierstoffkonzentration nach jedem folgenden Brennerdurchgang erzeugt werden. Haben sich ausreichende'Rußmengen niedergeschlagen, dann wird die Vorform in einem Ofen erhitzt, um den Ruß zu einem einheitlichen Glaskörper zu erschmelzen. Der als Dorn dienende Stab wird dann entfernt und die zylindrische Vorform wird einer Kollaps-Behandlung zum Erhalt eines Vollstabes unterworfen und zu einer optischen
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Faser ausgezogen, und zwar unter Verwendung eines Brenners oder eines Ofens, wie dieses allgemein bekannt ist. Dieses Verfahren zum Herstellen optischer Vorformen ist im einzelnen in der OS-PS 3 826 560 beschrieben.
Aus der DE-OS 26 47 121 ist eine weitere Technik zum Erzeugen einer Vorform bekannt. Hierbei wird ein mit einer ebenen Fläche versehener Träger um eine im wesentlichen senkrecht zur Fläche orientierte Drehachse gedreht und auf die Fläche des rotierenden Trägers eine Strömung eines pulverförmigen Glasvorläufermaterials in einer im wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufenden Richtung gerichtet. Zur Änderung des Brechungsindexes längs der Vorform wird/ während sich diese aufbaut, die Zusammensetzung des pulverförmigen Materials zeitlich geändert. Das Material wird dann zu einem einheitlichen Glaskörper konsolidiert und eine Faser hieraus in üblicher Weise gezogen. Es wird daher also kein zylindrischer Dorn benötigt und es braucht auch kein Kollabierungsschritt vorgenommen zu werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem große Vorformen mit Stufenindex-Profil für Monomode-Ausbreitung oder Gradientenindex-Profil erzeugt werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich auch optische Glasfasern herzustellen, die eine Monomode-Ausbreitung zulassen, ohne daß Probleme mit der Modendispersion auftreten.
Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 einen Querschnitt durch einen typischen Apparat zum Erzeugen der Vorform;
Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer erzeugten Vorform;
Fig.3 ein Diagramm eines Stufenindex-Profiles einer Vorform gemäß Fig.1 und
Fig.4 ein Diagramm eines Gradientenindex-Profils einer ebenfalls erzeugbaren Vorform.
In Fig.1 ist eine drehbare Grundplatte 10 dargestellt. Die Grundplatte 10 ist aus einer hoch-temperaturfesten Substanz, wie beispielsweise Glas, Keramik oder anderen Materialien, hergestellt und kann eine Kreisform aufweisen. Jede andere geometrische Form ist auch möglich, die in Rotation um ihre Achse versetzt werden kann.
Die Grundplatte 10 ist mit einem Antriebsschaft 11 verbunden, der mit einem Gewinde bestimmter Steigung versehen ist. Der Schaft 11 wird in einer Schraubenmutter 12 geführt
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und von einem Motor angetrieben. Dieser an sich bekannte Antrieb versetzt die Grundplatte 10 in Rotation und bewegt sie dabei gleichzeitig in Richtung des Pfeilers 13 nach unten.
5 Oberhalb der Grundplatte 10 isteine Serie von Düsen 20, 21, 22, 23 und 24 angeordnet. Diese Düsen sind quer über die Grundplatte 10 angeordnet. Jede Düse ist mit einer Heizung versehen, wie beispielsweise eine Plasmafackel oder ein intensiver Laserstrahl.
Die Düsen können mit einer HF-Spule versehen sein, wie Spule 25 auf der Düse 20, Spule 26 auf der Düse 23 usw. Die HF-Spulen sind in konventioneller Art mit typischen HF-Quellen wie 27 und 28 verbunden.
Jede Düse ist mit je einem Kessel oder Gefäß 30 bis 33 über eine passende Leitung verbunden. Wie erklärt wird, enthalten die Gefäße die notwendigen Materialien um eine Dampfphase an den Düsen zu erzeugen, die dann eine glasige Schicht auf dem mit der rotierenden Grundplatte 10 verbundenen Substrat niederschlagen. Da jede Düse mit einem separaten Gefäß verbunden ist, kann die Zusammensetzung des Materials an jeder Düse von Düse zu Düse verändert werden, so daß ein sich änderndes Muster auf dem Substrat erzeugt wird. Die entstehende Vorform wird daher mit dem gewünschten Profil versehen, das der Zusammensetzung des Materials, das von jeder Düse niedergeschlagen wird, entspricht.
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Die beschriebene Düsenanordnung, die Grundplatte 10 und der An triebsmechani sinus sind in einem Gefäß 40 eingeschlossen. Das Gefäß 40 gewährleistet eine hydrogenfreie Umgebung, um die OH-Aufnähme in die Vorform zu unterdrücken.
Wie in Fig.1 durch den Pfeil 13 angedeutet, bewegt sich die Grundplatte 10 während ihrer Rotation nach unten. Der Schaft 11 rückt dabei entsprechend der Steigung des Gewindes und der Umdrehungsgeschwindigkeit vor. Während der Rotation des Substrates in dem hydrogenfreien Raum wird eine glasige Schicht durch die Düsen niedergeschlagen, um ein konzentrisches Muster aus Glasringen zu erzeugen, wie es in Fig.2 dargestellt ist. Zum Beispiel ist der zentrale Kern der Vorform mit 60 bezeichnet und von der Düse 19 erzeugt worden. Das Gefäß 33 ist mit der Düse 29 verbunden und enthält Komponenten, die den Niederschlag von relativ reinem Silikatglas mit einem hohen Brechungsindex ermöglichen, was den Kern 60 ergibt, der dann relativ niedrige Verluste aufweist. Die Tätigkeit der Düsen dient der Erzeugung eines koaxialen oder ringförmigen Musters, wie es in Fig.2 dargestellt ist und mit 60 bis 63 bezeichnet ist.
Die Höhe der Vorform ist eine Funktion des Vorrückens des Schaftes während des Herstellverfahrens. Die,Niederschlagsrate und die Rate des Vorrückens der Vorform müssen miteinander synchronisiert sein, um gleichbleibende Verhältnisse zu erreichen. Nachdem der Schaft 11 sich um einen bestimmten Betrag bewegt hat, betätigt er einen Schalter 65, der, wie dargestellt, den Herstellprozess z.B. durch Abschalten der HF-Quellen, der Düsenanordnung und der Schaftrotation beendet.
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Auf diese Weise wird die in Fig.2 dargestellte Vorform mit der gewünschten Höhe erzeugt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren weist einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Niederschlagsrate aufgrund der Tätigkeit der Düsen und dem Niederschlagen aus der Dampfphase auf. Die Vorform gemäß Fig.2 weist einen Durchmesser von 304,80 mm (12 inch) auf und ermöglicht das kontinuierliche Ausziehen einer langen, mit niedrigen Verlusten behafteten Glasfaser. Der Prozess des Ausziehens ist bekannt. Das Ausziehen kann in mehreren Schritten erfolgen, um eine lange Glasfaser mit einem relativ kleinen Durchmesser zu erhalten.
Wie schon beschrieben, kann jede Düse eine andere Zusammensetzung des Materials erhalten, um eine Vorform mit einem Gradientenindex-Profil zu erzeugen, wie es in Fig.4 dargestellt ist. Die Zusammensetzung bleibt über die Zeit gesehen gleich. Das Substrat wird kontinuierlich von den heißen Düsen im gleichen Maße wegbewegt/ wie die Vorform wächst. Dieses hängt von der Gewindesteigung des Schaftes und der Umdrehungsgeschwindigkeit ab. Auf diese Weise kann man ein Stufenindex-Profil, siehe Fig.3, erzeugen, in dem sichergestellt wird, daß die Bewegung der Grundplatte 10 und das Wachsen der Vorform kompatibel sind.
Wie beschrieben, wird eine Niederschlagung aus der Dampfphase verwendet, was in Verbindung mit der Benutzung der HF-Glühheizung das Niederschlagswachstum begrenzt. Die Benutzung eines lokalen HF-Feldes in jeder Düse kann die Geschwindigkeit des Wachstums erhöhen. Jede Düse führt
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das Material der Vorform in gasförmiger Form ein und drückt es auf die Oberfläche des Substrates der Grundplatte 10. Der Gasstrom aus jeder Düse wird durch die HF-Heizung sehr schnell hydrolisiert, oxidiert und auf dem Substrat niedergeschlagen in einer Reihe von konzentrischen Glasschichten 60 bis 63 gemäß Fig.2.
Es ist selbstverständlich, daß die Anzahl der Düsen verändert werden kann und damit die Anzahl der Ringe aus Glas. Im dargestellten Beispiel erzeugt die Düse 23, gespeist vom Gefäß 30, die erste oder äußere Schicht der Vorform. Die Düse 22 mit dem Gefäß 31 erzeugt die Schicht 62. Zu jeder Düse kann eine korrespondierende kommen, wie beispielsweise zur Düse 20 die Düse 23. Dies sichert die Gleichmäßigkeit der Schichten, die regelmäßig über die vorgesehenen Bezirke auf dem Substrat aufgetragen werden.
Das beschriebene Niederschlagsverfahren läuft im hydrogenfreien Gefäß ab, daher werden zusätzlich Elemente wie beispielsweise Oxygen durch entsprechende Düsen 70 aus einer geeigneten Quelle 71 eingespeist. Das Oxygen kann in das Gefäß 40 eingegeben werden, um die Vorform zu kühlen und. den Staub von der Oberfläche während des Wachsens der Vorform zu entfernen.
Da die Zusammensetzung des Materials maßgeschneidert werden kann ist es verständlich, daß z.B. die Düsen 23 und 20, die die äußere Schicht 63 erzeugen, Silikatglas niederschlagen.
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Dieses Glas hat eine geringe thermische Ausdehnung im Vergleich mit dem Glas der den Kern bildenden Schichten 60, 61 und 62. Daher ist die äußere Schicht eine die inneren Schichten relativ stark zusammendrückende Schicht. Hieraus ergibt sich eine gesteigerte Stärke der resultierenden Glasfaser und daher wird eine Glasfaser mit einer hohen Lebensdauer erzeugt.
Auf jeden Fall kann das Material in den Gefäßen 30 bis 33 so zusammengesetzt werden, daß jede gewünschte Charakteristik der sich ergebenden Vorform erreicht wird. Die Schicht 61 soll beispielsweise einen niedrigen Brechungsindex im Vergleich zur Schicht 60 aufweisen, da sie zu dieser einen Überzug darstellen soll. Geeignete Materialien zum Erzeugen der Vorform können durch Halogene des gewünschten Materials erzeugt werden, da Halogene von einem Trägergas, beispielsweise Oxygen, transportiert werden können.
Eine Substanz aus Silikontetrachlorid ist im Oxygen eingelagert, so daß die Mischung beim Durchtritt durch eine Düse, z.B. 20, eine Glühentladung unter dem Einfluß eines HF-Feldes, z.B. durch die vom Generator 28 gespeiste Spule 25, erzeugt. Diese Technik wird zum Beispiel die Schicht 62 erzeugen, die im wesentlichen aus Silikat besteht. Wenn Borontrichlorid und Silicontetrachloride im Oxygen eingelagert werden, dann wird eine Schicht aus Borsilikatglas gebildet.
in gleicher Weise kann Germanium und Silikontetrachlorid benutzt werden, um eine Glasschicht aus Germaniumsilikat zu
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bilden. Die Wahl des chemischen Niederschiagens aus der Dampfphase vermeidet Verluste durch Absorption durch Hydroxyl und flüchtige Metallverunreinigungen. Die Verwendung der gesteuerten Umwelt im Gefäß 40 sichert, daß Partikel aus der Luft und Hydrogenkomponenten in der erstellten Vorform nicht vorhanden sind.
Eine HF-Heizung wird benutzt um die Glaskomponenten wirkungsvoll niederzuschlagen, da hierbei keine Hilfselektroden benötigt werden.
Wie schon gesagt, können Schichten auch wirkungsvoll und schnell durch eine Plasmafackel niedergeschlagen werden.
Es wurde gezeigt, daß man eine Vorform gemäß Fig.2 herstellen kann, die ringförmige Teile enthält, die graduell in ihrer Zusammensetzung sich ändern, gemäß dem durch die entsprechenden Düsen gegebenen Material. Es kann also das Profil quer durch die Vorform zur Herstellung eines Stufenindex-Profils für Monomoden oder eines Gradientenindex-Profils gesteuert werden. Diese Technik gewährleistet die Produktion von Monomodenglasfasern genau so wie Glasfasern mit einem radialen Gradienten im Brechungsindex und dies hängt nur von der durch die Düsen gegebenen Materialzusammensetzung ab.
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Claims (18)

  1. Patentanwalt
    Dipl.-Phys.Leo Thul
    Kurze Str.8
    7 Stuttgart 30
    M.S.Maklad-11
    INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
    Ansprüche
    Verfahren zum Herstellen einer Vorform für optische Glasfasern, aus der die Glasfaser direkt gezogen wird, bei dem Glaspartikel auf eine Grundplatte, die um eine senkrecht auf der flachen Oberfläche der Grundplatte stehende Achse gedreht und verschoben wird, in Richtung der Achse aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster aus . konzentrischen Ringen (60-63) auf die Grundplatte (10) durch Niederschlagen aus der Dampfphase aufgebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Vorform ein Stufenindex-Profil aufweist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Vorform ein Gradientenindex-Profil aufweist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagen der Ringe (60-63) durch quer über die Grundplatte (10) angeordnete Düsen (20-24) geschieht, die oberhalb der Grundplatte angeordnet sind und je einen Ring erzeugen,
    Wr/Sch
    3O.O3.1979 009841/0865
    2313726
    M.S.Maklad-11
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß jede Düse einen Ring mit einer geaen die anderen Ringe verschiedenen Glaszusammensetzung erzeugt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Düse (23) am äußeren Rand der Grundplatte (10) angeordnet ist und daß diese Düse einen Ring aus Glas mit einem hohen Anteil Silikat niederschlägt, um einen äußeren Ring mit geringer Wärmeausdehnung im Vergleich zu einem inneren Ring zu erhalten,
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Düsen ein HF-Feld erzeugt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Ausziehens der Vorform in eine optische Glasfaser.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Verschiebung der Grundplatte (10) proportional zur Niederschlagsrate der Glasringe ist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Grundplatte (10) überwacht wird (65) und die Rotation gestoppt wird, wenn die Vorform eine vorbestimmte Höhe erreicht hat.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer hydrogenfreien Umgebung abläuft.
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    M.S.Maklad-11
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederschlagsverfahren mit Hilfe einer Plasmafackel durchgeführt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß das Niederschlageverfahren mit Hilfe einer Laserheizquelle durchgeführt wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzusammensetzung in jeder Düse über die Zeit relativ konstant ist.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Einleitung eines Oxygen enthaltenden Gases an die Grundplatte (10) um Verunreinigungen zu entfernen und eine Oxidation zu sichern.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß zur Bildung eines Überzuges mit einem niedrigen Brechungsindex benutzt wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß jeder Glasring aus einem anderen Glasmaterial gefertigt ist, wodurch die Vorform einen radialen Gradienten im Brechungsindex erhält.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 8» dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser eine optische übertragung mit Monomoden ermöglicht.
    S09841/08SS
DE19792913726 1978-04-10 1979-04-05 Verfahren zum herstellen einer vorform fuer optische glasfasern Withdrawn DE2913726A1 (de)

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