DE2950446A1

DE2950446A1 - The fabrication of optical fibers utilizing thermophoretic deposition of glass precursor particulates

Info

Publication number: DE2950446A1
Application number: DE792950446A
Authority: DE
Inventors: W Sinclair; Roosbroeck W Van
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-08-18
Filing date: 1979-08-10
Publication date: 1980-12-04
Also published as: US4263032A; DE2950446C2; JPS55500603A; NL7920045A; SE424855B; FR2433491A1; FR2433491B1; SE8002751L; GB2039880B; IT7925097A0; IT1122498B; BE878242A; CA1130547A; GB2039880A; WO1980000440A1

Description

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung optischer Fasern unter Verwendung eines thermophoretischen Niederschlages von partikelförmigem Glasvorläufermaterial.

Ausgangspunkt der Erfindung

Die Erkenntnis während des letzten Jahrzehntes, daß optische Fasern eine bedeutsame und kommerziell lebensfähige Rolle bei Nachrichtenübertragungsanlagen - sowohl wegen ihres erhöhten Informationsführungsvermögens als auch wegen ihrer verringerten Größe - spielen werden,hat zu einer starken Erhöhung von Erforschung und Entwicklung zahlreicher Faserstrukturen geführt, ebenso zu wirksameren und kostengünstigeren Herstellungsverfahren.

Derzeit gibt es hauptsächlich zwei Verfahren, die auf dem Faserherstellungsgebiet dominieren. Das erste, das in der US-PS Re 28 029 beschrieben ist, betrifft generell die Bildung von partikelförmigem Glasmaterial durch Flammenhydrolyse und dessen nachfolgender Niederschlag auf einen massiven Glasstab.

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Nach einem Niederschlag des partikelförmigen Glasmaterials in geeigneter Dicke kann der Stab entfernt werden, und das Material wird in ein transparentes Glas durch Erwärmen in geeigneter Umgebungsatmosphäre konsolidiert. Die resultierende -■ rohrförmige "Vorform einer optischen Faser" wird dann zu der Faser ausgezogen, wobei die rohrförmige Vorform entweder vor- her oder gleichzeitig mit dem Ziehvorgang kollabiert wird. Das bei diesem Verfahren benutzte partikelförmige Glasvorläufermaterial wird im allgemeinen aus verdampften Glasvorläuferflüssigkeiten (z. B. Siliciumtetrachlorid, Germaniumtetrachlorid und Bortrichlorid) unter Verwendung eines Hydrolysebrenners erzeugt. Im Hinblick auf den Umstand, daß dieses partikelförmige Material in einer Flamme erzeugt wird, wird es üblicherweise als "Soot" bezeichnet, und zwar im Unterschied zu jenem partikelförmigen Glasvorläufermaterial, das nach anderen Methoden und ohne Einsatz eines Hydrolyseflammenbrenners erzeugt wird.

Das zweite vorherrschende Faserherstellungsverfahren ist das sogenannte modifizierte Dampfreaktionsniederschlagsverfahren - nachstehend als MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapor Deposition) bezeichnet. Es handelt sich dabei um die Reaktion ■geeigneter Dampfreaktionspartner innerhalb eines Glasrohrs, um partikelförmiges Glasvorläufermaterial zu erzeugen - siehe US Patentanmeldung 828 617 vom 29. 8. 1977, eine Fortführung der US Patentanmeldung 444 705 vom 22. 2. 1974 (= DE-AS 25 07 340)

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Die Ghsvorläuferdämpfe werden durch das Rohr hindurchgeschickt, während dieses durch eine geeignete Heizquelle erhitzt Wird, Das bei dieser Reaktion entstandene partikelförmige Material schlägt sich nachfolgend auf der Rohrinnenwand nieder. Nach einem ausreichenden Niederschlag wird das Rohr kollabiert und in eine Faser gezogen. Das niedergeschlagene partikelförmige Material umfaßt den Kern und bei gewissen Ausführungsformen auch den Mantel der optischen Faser, während das rohrförmige Ausgangsglied im allgemeinen eine geeignete Ummantelung umfaßt.

Das MCVD-Verfahren geht historisch zurück auf die vorherrschende Halbleitertechnologie. Diese Technologie erfordert die Erzeugung ultrareiner Siliciumoxidschichten. Es wurde gefunden, daß solche Schichten durch Erhitzen eines geeigneten Substrates in einer Reaktionsgasumgebung aus siliciumhaltigem Dampf und Sauerstoff wirksam gezüchtet werden können. Hierbei wurde gefunden, daß sich Siliciumoxid auf der Oberfläche, ohne Bildung einer Partikel-Phase, heterogen niederschlägt. Tatsächlich war in vielen Fällen die Bildung einer derartigen Partikelphase schädlich und wurde sorgfältig vermieden.

Entsprechend einer bedeutsamen Abweichung von dieser bekannten Halbleitertechnologie arbeitet das MCVD-Faserherstellungsverfahren mit der Erzeugung von Siliciumoxid mit Hilfe einer Partikel-

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Zwischenphase. Diese Partikel-Phase führt, wie gefunden wurde, zu beachtlich höheren Niederschlagsgeschwindigkeiten, ohne die erforderliche Reinheit des niedergeschlagenen Materials ...:. opfern zu müssen.

Man muß zwischen dem MCVD-Verfahren und dem oben erörterten Hydrolyse-Verfahren unterscheiden, bei dem das partikelförmige · Material in einer Flamme erzeugt und demgemäß als Soot bezeichnet wird. Dieses Soot-Verfahren hat seine Wurzeln in der frühe---ren Hydrolyse-Technologie. Im Unterschied zum MCVD-Verfahren müssen beim Soot-Verfahren beachtliche Verunreinigungsprobleme, die hauptsächlich wegen der bei der Hydrolysereaktion stattfindenden Bildung von Wasserdampf auftreten, berücksichtigt werden. Wasser absorbiert nämlich Licht im interessierenden Spektralbereich stark.

Das MCVD-Verfahren hat sich als großer Erfolg erwiesen. Es wirft jedoch die anscheinend akademische Frage für die einschlägige Fachwelt auf, nämlich die Frage nach dem Mechanismus, der für den Niederschlag des partikelförmigen Materials auf der Rohrwandung verantwortlich ist. Offensichtlich läßt sich dieses Phänomen nicht mit Gravitationskräften befriedigend erklären. Jedoch wurde im Hinblick auf den Umstand, daß das Verfahren wirksam arbeitet, diese Frage in die Sphäre jener unbeantworteter akademischer Probleme verwiesen, deren Lösungen kaum kommerzielle

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Auswirkungen erwarten lassen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist ein Verfahren zum Erhöhen des Niederschlagswirkungsgrades von partikelförmigem Glasmaterial auf einem Substrat bei der Herstellung optischer Fasern. Die Erfindung beruht teils in der Erkenntnis, daß thermische Kräfte die bedeutsamste Rolle beim Dirigieren der Materialpartikel aus deren Entstehungszone zum Substrat spielen mögen. Die Erfindung betrifft demgemäß die Erhöhung der Wirkung solcher thermischen Kräfte. Erfindungsgemäß kann dieses bewerkstelligt werden durch Erhöhen der geeigneten thermischen Gradienten, Erzeugen zusätzlicher thermischer Gradienten oder Bewirkung jeder anderer Änderungen von Betriebsparametern, die den Effekt der thermischen Kräfte beim Lenken der Materialpartikel zum Substrat hin vergrößern werden.

Figurenkurzbeschreibung

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer MCVD-Apparatur;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer MCVD-Apparatur mit einer zusätzlichen Heizquelle, wie diese erfindungsgemäß zur Vergrößerung des Partikelniederschlags benutzt wird.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer "Soot"-Apparatur mit einer zusätzlichen Einrichtung, wie diese erfindungsgemäß zur Vergrößerung des Partikel-Nieder-; .schlags benutzt wird; und

Fig. 4 bis 8 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung. ; Detaillierte Beschreibung 1. Einführung

Die Erfindung betrifft in ihrer allgemeinsten Form die Erhöhung des Niederschlagswirkungsgrades von partikelförmigem Glasvorläufermaterial (üblicherweise im Korngrößenbereich von 0,1 bis 1,0 Mikrometer) beim Faserherstellungsprozeß, indem die Wirkung thermophoretischer Kräfte, die die Materialpartikel zum Substrat hinführen, erhöht wird. Der Ausdruck thermophoretische Kräfte bezeichnet, wie er in dieser Beschreibung benutzt wird, die thermischen Kräfte, die auf ein Partikel als Resultat des in der Partikel-Umgebung herrschenden Temperaturgradienten einwirken. Die Wirkung dieses Temperaturgradienten auf ein gegebenes Partikel kann durch Betrachtung der auf das Partikel einwirkenden Molekül-Stoßkräfte verstanden v/erden. Jene Moleküle, die auf das Partikel von der heißeren Seite her auftreffen, übertragen auf dieses einen größeren Impuls als jene Moleküle,

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die auf das Partikel von dessen kühlerer Seite her auftreffen. Zusätzlich wird einleuchten, daß begleitende Strahlungseffekte diese "Molekular"-Kräfte verstärken können. Als Ergebnis dieser und ähnlicher Effekte "verspürt" das Partikel eine resultierende Kraft, die es aus der heißen Temperaturzone in die kühlere Temperaturzone dirigiert. Dieses ist der "thermophoretische" Effekt, auf den sich diese Beschreibung bezieht. Die Erfindung befaßt sich mit einer thermophoretischen Kraft, die hinreichend groß ist, um die Vektorgeschwindigkeit des gebildeten partikelförmigen Materials zu beeinflussen. Entsprechend der Erfindung v/erden spezielle Mittel zur Vergrößerung der thermophoretischen Kräfte über jene Mittel hinaus benutzt, die den normalen bei den üblichen Faserherstellungsmethoden betroffenen Niederschlagsprozeß begleiten.

Es sei betont, daß bei den meisten Faserherstellungsverfahren thermophoretische Kräfte beim Partikelniederschlag betroffen sind - obgleich ohne gezielten Entwurf des Konstrukteurs -, um den Niederschlag des partikelförmigen Materials zu erhalten. Folglich betrachtet sich die Anmelderin nicht als die erste, einen Niederschlagsmechanismus mit thermophoretischen Kräften nahegelegt zu haben. Sie betrachtet sich jedoch als die erste, die Gegenwart dieser Kräfte und deren Wichtigkeit beim Niederschlag von partikelförmigem Material während der Herstellung optischer Fasern erkannt zu haben. Als Ergebnis dieser Erkenntnis

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ist es möglich geworden, neue Konfigurationen und spezielle Manipulationen vorzuschlagen, die die thermophoretischen Kräfte gezielt vergrößern und die demgemäß den Niederschlags- ;--wirkungsgrad verbessern und dadurch die Faserherstellungstechnik um ein gutes Stück weiter bringen. Die Verstärkung der thermophoretischen Kräfte kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, daß die entsprechenden Temperaturgradienten mit dem Ziel erhöht werden, jene thermophoretischen Kräfte zu maximieren, die das partikelförmige Material zum Substrat hin lenken. Die Erfindung umfaßt daher allgemein die Verwendung jeglicher Mittel zur Vergrößerung dieses thermophoretischen Effektes.

Offenbar haben Fachleute auf anderen Gebieben die Wirkung thermischer Kräfte auf den Transport von partikelförmigem Material von einer Zone in eine andere gekannt. Beispielsweise wurden solche Kräfte zur thermischen Abstoßung partikelförmiger Substanz von einem Substrat bei der Herstellung rußfreier Kohlenstoffschichten auf keramischen Oberflächen durch Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffs bei etwa 1000 ⁰C benutzt. So konnte eine etwa 2 mm dicke rußfreie Zone benachbart den Keramikoberflächen aufrechterhalten werden, wenn diese Oberflächen heißer als der Umgebungsdampf gemacht wurden. In der Dampfphase konnte eine ausgeprägte Rußkonzentration an der Grenze der rußfreien Zone beobachtet werden (W. W. van Roosbroeck, Bell System Technical Journal, Vol. 30, S. 271, 1937, auf Seite 278).

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Ähnliches Verhalten erhält man bei Umgebungsgas bei Zimmertemperatur. Beispielsweise wurde eine staubfreie Zone, die einen heißen Körper umgibt, von Tindall 1870 erörtert und von Aitken 1884 weiter untersucht (siehe beispielsweise H. L. Green und W. R. Lane, Particulate Clouds; Dusts, Smokes and Mists (D. Van Nostrand Co., Princeton, New Jersey, 1964); H. H. Watson, Disperse Systems in Gases; Dust, Smoke and Fog, (Gurney and Jackson, London, 1936); I. Langmuir, Phys. Rev., Vol. 34, S. 401 (1912)). Ein thermischer Staubprobenausfällapparat, bei dem das staubhaltige Gas über einen heißen Draht hinweg durch einen Kanal geleitet wird, dessen Wände weniger als etwa eine konvektionsfreie Leitungszone vom Draht entfernt sind, lieferte einen Sammlungswirkungsgrad von nahezu 100 %

(H. L. Green und H. H. Fadon, Medical Research Council Special Report, Series No. 199).

Trotz dieses Standes der Technik hat nach Kenntnis der Anmelderin niemand die mögliche Verwendung verstärkter thermophoretischer Kräfte zur Erhöhung des Niederschlagswirkungsgrades von partikelförmigem Glasvorläufermaterial bei der Herstellung optischer Faservorformen nahegelegt. Im Gegenteil, der einschlägige Stand der Faserherstellungstechnik gibt an, daß das Substrat erhitzt werden muß, was zu einem thermischen Gradienten führt, der den Partikelniederschlag zu verringern sucht. Bei-

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spielsweise erhitzt im Soot-Verfahren der Hydrolysebrenner das Stabsubstrat effektiv, auf das das Partikelmaterial niederzuschlagen ist. In ähnlicher Weise wird beim MCVD-Verfahreü— das Rohr, durch das die Glasvorläuferdämpfe strömen, erhitzt, und zwar üblicherweise mit einer Flamme, um die erforderlicher» Partikelbildungsreaktionen zu erreichen. Diese Erhitzung erhöht jedoch sowohl im Soot- als auch im MCVD-Prozeß die Tempe-.." ratur des Substrats, auf das die partikelförmlge Substanz niedergeschlagen wird, führt also zu einem thermischen Gradienten, der - im Lichte der vorliegenden Erkenntnis - dem Partikelniederschlag entgegenwirkt.

Wenn man die Geschichte des MCVD-Verfahrens bis zu dessen HaIbleitervoriäufer verfolgt, findet man, daß das nunmehr schädliche Erhitzen des Substrates ein absolutes Erfordernis bei der Bildung einer Siliciumoxidschicht ist. Die Anmelderin hat jedoch nun gezeigt, daß bei Bildung eines partikelförmigen Materials, das nachfolgend auf ein Substrat niederzuschlagen ist, eine derartige Erhitzung des Substrats den erforderlichen Niederschlag hindert. Die Verwendung verstärkter thermophoretischer Kräfte zur Verbesserung des Niederschlages hilft entsprechend der Erfindung dieses Problem teilweise zu beseitigen. Grundsätzlicher hat jedoch die vorliegende Erfindung zu einer voll-Ständigen Disassoziation des MCVD-Verfahrens von seinen Vorläufern auf dem Halbleitergebiet geführt. Es wird nunmehr ver-

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standen, daß die Partikelbildung beim MCVD-Verfahren ein vom Niederschlag total getrennter Schritt ist und als solcher betrachtet werden sollte. Während die Erhitzung des rohrförmigen Ausgangsgliedes ein Mittel zum Erhalt der Bildung von partikelförmigem Glasvorläufermaterial ist, können andere Partikelerzeugungsmittel zu einem verstärkten Partikelniederschlag führen. Beispielsweise kann das partikelförmige Material außerhalb des Ausgangsgliedes erzeugt und nachfolgend unter Verwendung thermischer Gradienten niedergeschlagen v/erden, die ausschließlich zu Niederschlagszwecken etabliert werden und volüständig vom Partikelbildungsprozeß getrennt sind.

2. Details des Verfahrens

Im Hinblick auf das vertiefte Verständnis der thermophoretischen Kräfte durch die Anmelderin, die während des partikelförmigen Niederschlages bei der Faserherstellung ins Spiel kommen, können nunmehr bisher unerklärliche Effekte verstanden werden. Beispielsweise zeigt Fig. 1 eine typische MCVD-Herstellungsapparatur. In dieser Figur bedeuten 10 das rohrförmiqe Ausgangsglied, 11 eine geeignete Heizquelle, wie eine Flamme nebst geeigneter Vorschubmittel 18, 12 eine Strömung aus Glasvorläuferdämpfen, 13 das niedergeschlagenwerdende partikelförmige Glasmaterial und 14 das nichtniedergeschlagenwerdende partikelförmige Glasmaterial, das aus dem rohrförmigen Ausgangs-

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glied austritt. Es sollte beachtet werden, daß der Partikelniederschlag dafür bekannt war, nicht in der Zone der Heiz- _: quelle, die zur Erhitzung des Rohrs benutzt wird, aufzutreten, sondern stromabwärts von dieser Heizquelle bei 17. Ernsthafte · Versuche für ein Verständnis dieses Verhaltens wurden nie angestellt, da ein derartiges Verständnis anscheinend für die : : erfolgreiche Durchführung des MCVD-Verfahrens nicht notv/endig war. Das vertiefte Verständnis der Thermophoresis-Rolle in dem Niederschlagsprozeß durch die Anmelderin gestattet sowohl die Erläuterung dieses Effektes als auch den Vorschlag von Methoden zur weiteren Verstärkung des Niederschlags-Wirkungsgrades.

Die Erklärung des Stromabwärts-Niederschlag-Phänomens liegt in dem Umstand, daß in der Zone der Flamme die Rohrwand so heiß ist wie oder heißer als die Partikelströmung an der Stelle ihrer Bildung. Folglich zeigen die thermophoretischen Kräfte von der Wand weg und verhindern den Niederschlag. Es ist erst stromabwärts der Heizquelle, wo sich die Wand abkühlt und ihre Temperatur niedriger als die der Partikelströmung wird, so daß sich die Richtung der thermophoretischen Kräfte umkehrt und das Partikelmaterial aus dem Mitteibreich des Rohrs zur Wand hin führt, auf der es sich niederschlägt.

Offensichtlich wird eine Erhöhung der Wirkung der thermophoreti-

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sehen Kräfte beispielsweise durch Erhöhen des Temperaturgradienten, zu einer noch wirksameren Sammlung der Partikel führen, die in der erhitzten Zone erzeugt werden. Beispielsweise wurde - siehe weiterhin Fig. 1 - beobachtet, daß bedeut— same Anteile an partikelförmigem Material 14 das Rohr verlassen, ohne je niedergeschlagen zu werden. Der Grund hierfür wurde bisher nicht verstanden, und der Verlust wurde als ein notwendiger Preis akzeptiert, der für die anderen, dem MCVD-Verfahren eigenen Verbesserungen bezahlt werden mußte. Mit dem vertieften Verständnis der Anmelderin kann nun gezeigt werden, daß der Verlust des nicht-niedergeschlagenen partikelförmigen Materials 14 direkt einem Fehlen ausreichender thermischer Kräfte zugeschrieben werden kann, die zur Hinlenkung dieser Partikel zur Rohrwand notwendig sind. Jene Partikel, die mit niedrigen Longitudinalgeschwindigkeiten erzeugt werden, können innerhalb der Rohrlänge eingefangen werden. Jedoch jene Partikel, die mit hohen axialen Geschwindigkeiten erzeugt werden, treten aus dem Rohr aus, bevor die thermophoretischen Kräfte sie auf die Rohrwand richten können. Wenn die thermophoretischen Kräfte erhöht werden, würden diese schnelleren Partikel ebenso eingefangen werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer MCVD-Apparatur ähnlich wie in Fig. 1, bei der die Anmelderin die thermophoretischen Kräfte vergrößert und eine Zunahme des Niederschlagswirkungsgrades bei einer begleitenden Abnahme des Verlustes an

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partikelförmigem Material erhalten hat. In dieser Figur ist eine zusätzliche Heizquelle 16 stromabwärts von der ersten Heizquelle vorgesehen. Die den Heizquellen und den Durchsätzen der Reaktionspartner-Dämpfe zugeordneten Parameter sind so, daß die zweite Heizquelle kein neues partikelförmiges Material ^ erzeugt. Gleichwohl ist aber wie in Fig. 2 dargestellt, die Wirkung der zweiten Heizquelle die, die Partikelströmung wie- !". der aufzuheizen, was zu zusätzlichen thermophoretischen Kräften dort führt, wo stromabwärts dieser zweiten Heizquelle die Wand kühler geworden ist und folglich in einem zusätzlichen Niederschlag 15 hinter der zweiten Heizquelle und in geringerem Verlust an partikelförmigem Material resultiert.

Während diese Beschreibung eine Reihe Vorschläge zur Erhöhung der thermophoretischen Kräfte enthält und dadurch den Partikelniederschlagswirkungsgrad während der Faserherstellung verbessert, können auch andere Verbesserungen bei dem Herstellunqsprozeß bewirkt werden, wenn erst einmal die erhöhte thermophoretische Kraft vorhanden ist. Beispielsweise erlauben erhöhte thermophoretische Kräfte eine schnellere Einführung der Glasvorläuferdämpfe - und folglich eine schnellere Erzeugung des partikelförmigen Materials - im Lichte des Umstandes, daß die verstärkten thermophoretischen Kräfte zu einem wirksamen Niederschlag der zusätzlich erzeugten schnellen Partikel führt. Diese zusätzlich erzeugten Partikel werden dann auf der Rohrwand wirksam niedergeschlagen. Man muß jedoch in Erinnerung

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behalten, daß die Geschwindigkeit der in das Rohr eingeführten Glasvorläuferdämpfe begrenzt sein kann. Diese Begrenzung erklärt sich aus dem Umstand, daß die größeren axialen Geschwindigkeiten zu einem größeren Niederschlagsbereich führen, der in Fig. 1 bei 17 dargestellt ist. Wenn der Niederschlagsbereich zu groß ist und wenn er nicht hinreichend durch zusätzliche thermophoretische Kräfte eingeengt werden kann, dann tritt ein ungleichförmiger Niederschlag an den Enden des Rohrs auf.

Ein weiterer möglicher schädlicher Einfluß erhöhter axialer Geschwindigkeiten betrifft die Auswirkung, die diese erhöhte Geschwindigkeit auf die Erhitzung des gebildeten partikelförmiqen Materials haben wird. Beispielsweise wird, wenn die Partikel rasch die heiße Zone passieren, ihre Temperatur niedriger sein, als wenn sie langsamer die heiße Zone durchqueren und Gelegenheit haben, einen Gleichgewichtszustand anzunehmen. Wenn die Partikel keine ausreichend hohe Temperatur erreichen, wird die resultierende thermophoretische Kraft, die direkt mit der Temperaturdifferenz zwischen den Partikeln und der Wand verknüpft ist, zu klein sein, um einen wirkungsvollen Niederschlag zu bewirken. Im Falle solcherart erhöhter Geschwindigkeiten kann eine breitere Erhitzungszone benutzt werden, um dem partikelförmigen Material genügend Zeit bis zur Gleichgewichtseinstellung zu geben.

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Die Abhängigkeit des Niederschlagswirkungsgrades von der Axialgeschwindigkeit des partikelförmigen Materials, ebenso von den thermophoretischen Kräften, liefert einen interessanten Selektionsmechanismus. Es sollte beachtet werden, daß es für die Partikel niedrigerer Axialgeschwindigkeiten wahrscheinli-" eher ist, niedergeschlagen zu werden, als jene mit höheren axialen Geschwindigkeiten. Folglich könnte man durch sorgfältiges Anpassen der thermophoretischen Kräfte nur jene Partikel einfangen, deren Geschwindigkeiten kleiner als ein vorgewählter Wert ist. Da die Axialgeschwindigkeit der Partikel wenigstens teilweise von verschiedenen chemischen Parametern abhängen, die der Reaktion in der erhitzten Zone zugeordnet sind, kann es durch diesen Mechanismus möglich sein, jene Partikel mit identifizierbaren zusammensetzungsmäßigen, chemischen oder physikalischen Eigenschaften zu selektieren, wie diese durch den von Hause aus durch diesen Selektionsmechanismus ausgewählten begrenzten Bereich der Reaktionsparameter bestimmt sind.

Ein weiteres Beispiel des vertieften Verständnisses früherer Prozesse liegt in der nunmehr möglichen Erklärung des außergewöhnlich hohen Wirkungsgrades, der bei Verwendung einer geeigneten Hochfrequenzspule als die Heizquelle zur Stimulierung eines Hochfrequenzplasmas innerhalb des rohrförmigen Ausgangsgliedes benutzt wird. Im Hinblick auf die viel höheren Temperaturen, die mit dieser Heizquelle erhalten werden, ist klar, daß

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viel höhere Temperaturgradienten zwischen den erzeugten Partikeln und den kühleren Wänden stromabwärts der Heizquelle erhalten werden. Dieser höhere Temperaturgradient liefert höhere " thermophoretische Kräfte und die beobachtete viel wirksamere Einsammlung der Partikel.

3. Spezielle Ausführungsformen

Zusätzlich zu den Ausführungsformen, die zur Darstellung der allgemeinen Natur des thermophoretischen Effektes erörtert worden sind, werden die folgenden speziellen Ausführungsformen als alternative Methoden zum Vergrößern der thermophoretischen Kraft beim Faserherstellungsverfahren vorgeschlagen.

Figur 3

Fig. 3 zeigt den Niederschlag von partikelförmigem Material unter Verwendung der Hydrolysebrenner-Methode. Das feste, zylindrische Substrat 30, auf das die Partikel 33 niedergeschlagen werden, hat einen zentralen Bohrungsbereich 31, durch den ein Kühlmedium hindurchgeschickt wird. Hierdurch wird der Temperaturgradient zwischen der Flamme 32, in der die Partikel erzeugt werden, und dem Substrat 30, auf dem sie niedergeschlagen werden, erhöht.

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Figur 4

In Fig. 4 wird ein Hydrolyse-Brenner oder eine andere geeignete Partikelerzeugungsquelle 41 dazu benutzt, partikelförmiges Material auf den Innenseiten eines rohrförmigen Ausgangsglied -y 42 niederzuschlagen. Bisher war es ein Problem bei dieser An- -. Ordnung, daß das niedergeschlagene partikelförmige Material ' mangelnde Gleichförmigkeit besitzt. Unter Verwendung der Lehren dieser Erfindung überstreicht eine breite Flamme 43 mit einer Kühlzone 44 das Rohr unter Verwendung einer Vorschubeinrichtung 45. Zwei Vorteile ergeben sich aus dieser Anordnung. Erstens schlagen sich die Partikel nur in einer vorbestimmten Zone, nämlich in der Kühlzone 44, nieder. Dieses ist die einzige Zone, in der die thermophoretischen Kräfte zum rohrförmigen Substrat hinweisen. Durch Verwendung der Vorschubeinrichtung kann dieser Niederschlagsbereich dazu gebracht werden, das ganze Rohr zu durchqueren. Ein zweiter Vorteil, der mit dieser Anordnung verknüpft ist, betrifft die Verwendung der breiten Flamme, die als eine im wesentlichen kontinuierliche Konsolidierungsheizquelle wirkt, wodurch eine wirksame Konsolidierung der niedergeschlagenen Partikel resultiert. Die kühle Zone 44 kann das Resultat einer lediglich fehlenden Flamme oder spezieller Kühleinrichtungen sein. Während bei 41 ein Hydrolysebrenner dargestellt ist, kann hierfür jede andere Quelle geeigneten partikelförmigen Materials verwendet werden.

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Figur 5

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer MCVD-Niederschlagsapparatur, z. B. der in Fig. 1 dargestellten Art. Bei ; dieser Anordnung wird der thermophoretische Temperaturgradient stromabwärts der Flammedurch die Verwendung eines erhitzten Kernbereiches 51 erhöht. Dieser erhitzte Bereich kann beispielsweise ein erhitzter hochtemperaturbeständiger Stab sein. Die Gegenwart dieses Stabes führt zu höheren Temperaturgradienten, die zum rohrförmigen Substrat hinweisen, und dadurch zu wirksamerem Partikelniederschlag. Während die gewählte Darstellung eine typische MCVD-Anordnung zeigt, kann der erhitzte Zentralbereich auch in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 4 verwendet werden. Weiterhin braucht der erhitzte Stab sich nicht über die Länge des Rohrs zu erstrecken, sondern kann in einem begrenzten Bereich, wo der Niederschlag gefordert wird, plaziert werden.

Figur 6

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer üblichen MCVD-Anordnung, beispielsweise der in Fig. 1 dargestellten Art, die mit einer zusätzlichen Kühleinrichtung 61 zur Erhöhung des Temperaturgradienten zwischen dem partikelförmigen Material und dem Substrat versehen ist.

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Figur 7

Wie erläutert, können zusätzliche Vorteile aus der Möglichkeit resultieren, das niedergeschlagene partikelförmige Material ; kontinuierlich zu konsolidieren. Fig. 7 zeigt eine Anordnung, die eine solche kontinuierliche Konsolidierung mit Hilfe der ^{: :} Verwendung vergrößerter thermophoretischer Kräfte ermöglicht. Hier wird ein erhitzter Zentralbereich 71 in Verbindung mit einer Bereichsflamme 72 verwendet. Die Temperatur des Zentralbereichs ist deutlich höher als die der breiten Flamme. Folglich wird sich das partikelförmige Material, das entweder im Rohr erzeugt oder in dieses eingeführt wird, auf der Innenfläche des rohrförmigen Ausgangsgliedes wegen des günstigen Temperaturgradienten niederschlagen. Wegen des durch 71 erzeugten günstigen Temperaturgradienten kann die Temperatur der Flamme 72 hoch genug sein, um zu einer kontinuierlichen Konsolidierung der niedergeschlagenen Partikel zu führen. Bei dieser Anordnung kann der Zentralbereich 71 selbst die Quelle der Gasvorläuferdämpfe oder Partikel sein, die sämtlich längs des Bereichs 71 eingeführt werden, um einen gleichförmigen Partikelniederschlag zu erreichen.

Figur 8

In Fig. 8 werden die einzelnen Vorläuferdämpfe in das rohrförmiqe 12/13

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Y-

Glied einer typischen MCVD-Apparatur mit Hilfe der erhitzten Rohre 81 und 82 eingeführt. Eine Voraufheizung der Dämpfe wird demgemäß die Temperatur der Partikel nach ihrer Bildung erhöhen und dadurch einen höheren Temperaturgradienten liefern.

4. Beispiele Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde das MCVD-Verfahren mit einem zusätzlichen Brenner, wie bei der Anordnung nach Fig. 2, durchgeführt. Das rohrförmige Ausgangsglied war ein 16/18 mm-Quarzglasrohr. Das Rohr wurde in eine Glasdrehbank eingespannt und die Reaktionspartner (SiCl , GeCl , PoCl , 0 ) wurden durch das Rohr bei

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einem Gesamtdurchsatz von 16 ml/min, einem für das MCVD-Verfahren typischen Viert, hindurchgeschickt. Ein Knallgasbrenner wurde beim elnlaßseitigen Ende des Rohrs angeordnet und zur Erzeugung eines etwa 2 cm langen auf etwa 1400 C erhitzten Abschnittes benutzt, während das Rohr auf der Drehbank gedreht wurde. Ein partikelförmiger Niederschlag wurde stromabwärts des Brenners mit einer abnehmenden Pulverdichte über eine Entfernung von etwa 20 cm beobachtet. Darüberhinaus wurde keine Ansammlung beobachtet.

Ein zweiter Brenner wurde mehrere Zentimeter hinter dem Ende des 13

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ursprünglichen Niederschlags angeordnet, während die Reaktionspartner weiterhin zugeführt wurden und der stromaufwärtige Knallgasbrenner die Temperatur der stromaufwärts gelegenen ^: Heizzone bei 1400 ⁰C hielt. Es wurde ein zweites Nisierschlagsband beobachtet, das sich einige wenige Zentimeter hinter dem. vom zweiten Brenner erhitzten Abschnitt ausbildete. Kinetische Untersuchungen zeigten, daß mit diesen Parametern die Reaktion der einzelnen Bestandteile abgelaufen ist, nachdem der Gasstrom die erste erhitzte Zone passiert hat und daß nur oxidische Partikel, zusammen mit Cl„-und 0,,-Gas, die zweite Zone erreichen. Der weitere Niederschlag von partikelförmigem Material stromabwärts des zweiten Brenners ist für den thermophoretischen Effekt bezeichnend.

Beispiel 2

Bei diesem Experiment wurde die Wirkung sowohl einer breiten Heizzone als auch einer Kühlströmung gezeigt. In dem Versuch wurde ein Glasrohr in einer Anordnung ähnlich der nach Beispiel 1 angeordnet, und geeignete Vorläuferdämpfe wurden durch das Rohr hindurchgeschickt, um Germaniumborsilikatglas zu erhalten. Der Durchsatz des Reaktionsgasgemischs war etwa 14 80 cm³/min.

Bei der ersten Phase dieses Experimentes wurde ein üblicher Brenner mit einer etwa 3 cm breiten Flamme zur Erhitzung eines

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Rohrabschnittes benutzt. Die Flamme überquerte das Rohr mit einer Geschwindigkeit von 25 cm/min. Die Temperatur des partikelförmigen Materials wurde mit einem optischen Pyrometer zu etwa 1500 C bestimmt. Die Temperatur der Rohrwand stromabwärts der Hamme wurde mit einem Thermoelement gemessen und zu etwa 270 ⁰C bestimmt. Als Niederschlagsgeschwindigkeit wurden. 0,139 g pro Minute bei einem Wirkungsgrad von 30,4 % gemessen.-

In der zweiten Phase dieses Experimentes wurde eine kühlende Stickstoffströmung auf die Rohrwand stromabwärts der Flamme gerichtet, was zu einer Wandtemperatur kleiner als 270 C führte, wobei die übrigen Parameter ungeändert blieben. Unter diesen Umständen erhöhte sich die Niederschlagsgeschwindigkeit auf 0,184 g/min mit einer Erhöhung des Wirkungsgrades auf 40,2 %, was die Wirkung der verstärkten thermophoretischen Kräfte demonstriert, die dem erhöhten Temperaturgradienten als Folge der Kühlung der Rohrwandung zugeordnet sind.

In der nächsten Phase dieses Experimentes wurde die heiße Zone auf etwa 7 cm verbreitert, während die Temperatur des partikelförmigen Materials auf etwa 1350 ⁰C erniedrigt wurde. Trotz dieser niedrigeren Temperatur erhöhte sich die Niederschlagsgeschwindigkeit auf 0,192 g/min mit einer begleitenden Erhöhung des Wirkungsgrades auf 42 %. Diese trotz der niedrigeren Partike!temperatur erreichte Verbesserung ist das Resultat einer

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wirksameren Erhitzung des Partikelmaterials als Ergebnis der breiten Heizzone mit einer begleitenden Verbesserung der thermophoretischen Kräfte. Dieses gestattet eine Herabsetzung der Temperatur ohne schädliche Auswirkungen oder alternativ hierzu die erhöhte Temperatur beizubehalten und den Reaktionsmitteldurchsatz zu erhöhen, um stärkere Partikelbildung zu erreichen.

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Claims

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BLUMBACH · WESER · BERGEN . KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München όΟ Telefon (089) 883603/885604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbeden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y. , USA Sinclair 15-5

Herstellung optischer Fasern unter Verwendung eines thermophoretischen Niederschlages partikelförmiger

Glasvorlaufer-Substanzen

Patentansprüche

VJ J Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, bei dem eine Strömung aus partikelförmigem Glasvorläufer-Material erzeugt und an einem geeigneten Substrat vorbeigeführt wird, um das partikelförmige Material aus der fortschreitenden Strömung auf wenigstens einen Teil des Substrates niederzuschlagen, wobei das Substrat in wenigstens diesem Teil auf einer Temperatur gehalten wird, die niedriger als jene

MUnchen: R. Kramer DIpI.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Paf.-Ass., Pat.-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

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Temperatur ist, bei welcher sich das partikelförmige Material bildet, und wobei das niedergeschlagene partikelförmige Material auf ein nachfolgendes Anschmelzen an das Substrat hin zu einer Faser-Vorform führt, die sich zum Ziehen zu einer optischen Faser eignet,

gekennzeichnet durch - ;

Erhöhen des Anteils des aus der Strömung auf das Substrat niedergeschlagenen partikelförmigen Materials dadurch, daß ein Temperaturgradient unter Verwendung einer zusätzlichen Thermophorese-Einrichtung erzeugt wird, um weitere Anteile des Glasvorläufermaterials aus der fortschreitenden Strömung zum Substrat hin zu richten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Thermophorese-Einrichtung nicht zu einer nennenswerten Bildung von zusätzlichem partikelförmigem Material führt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat die Innenseite eines erhitzten röhrenförmigen Glasausgangsgliedes ist, durch das geeignete Glasvorläufer-Dämpfe strömengelassen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich-

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net, daß das röhrenförmige Ausgangsglied unter Verwendung wenigstens zweier äußerer Heizquellen erhitzt wird, wobei die strömungsabwärtige der beiden Heizquellen der Thermophorese-Einrichtung zugeordnet und an einer Stelle gelegen ist, an der praktisch kein Niederschlag stattfindet*
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Thermophorese-Einrichtung einen erhitzten Stab aufweist, der innerhalb des röhrenförmigen Ausgangsgliedes und koaxial zu diesem angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zusätzlichen Thermophorese-Einrichtung des weiteren eine Gasströmung gehört, die durch das rohrförmige Ausgangsglied benachbart der Rohrwandung strömengelassen wird, um die Rohrwandung weiter zu kühlen.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Heizquelle außerhalb des Rohrs im wesentlichen über die Länge des rohrförmigen Ausgangsgliedes erstreckt und daß ein Stab innerhalb des rohrförmigen Ausgangsgliedes koaxial zu diesem angeordnet und auf eine höhere Temperatur als die der Rohrwandung erhitzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich-

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-9,3·

net, daß zu der zusätzlichen Thermophorese-Einrichtung eine Kühleinrichtung gehört, die auf das Rohr stromabwärts der erhitzten Zone einwirkt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung durch eine Gasströmung gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorläuferdämpfe in das Rohr mit Hilfe geeigneter Gasleitungen eingeführt werden und daß die zusätzliche Thermophorese-Einrichtung eine Heizeinrichtung aufweist, die auf die Gasleitungen einwirkt.
11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Thermophorese-Einrichtung so ausgewählt wird, daß ein Niederschlag praktisch aller Partikel resultiert, deren axiale Geschwindigkeit kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß

das Substrat ein rohrförmiges Glasausgangsglied ist und daß das partikelförmige Glasvorläufermaterial außerhalb des Rohrs erzeugt, danach in das Rohr eingeführt und dort auf der Innenwand niedergeschlagen wird.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Glied von außen her über praktisch seine gesamte Länge mit Hilfe einer ausgedehnten : Heizquelle erhitzt wird, wobei der Heizquelle eine begrenzte Zone verringerter Temperatur zugeordnet ist und der Niederschlag in der Zone verringerter Temperatur auftritt.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone verringerter Temperatur mit Hilfe einer äußeren Kühlquelle erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Glasvorläufermaterial außerhalb des rohrförmigen Ausgangsgliedes mit Hilfe eines Hydrolyse-Brenners erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangsglied ein Glasstab ist, und daß das partikelförmige Glasvorläufermaterial auf der Außenseite des Stabes niedergeschlagen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Thermophorese-Einrichtung eine Kühleinrichtung umfaßt, die auf die Mittelzone des Stabes einwirkt.

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18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß die Kühleinrichtung gebildet ist durch ein Kühlmittel, das durch eine Bohrung in der Mittelzone des Stabes hindurchgeschickt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 4, 7, 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizquelle eine Flamme ist.

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