DE3130329A1

DE3130329A1 - "verfahren zur herstellung einer lichtleiter-vorform"

Info

Publication number: DE3130329A1
Application number: DE19813130329
Authority: DE
Inventors: Ali Saifi 08520 East Windsor N.J. Mansoor
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-08-07
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1982-04-15
Also published as: FR2488412A1; FR2488412B1; GB2081252A; GB2081252B; CA1154579A; NL8103726A; US4304581A; JPS5756336A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserlichtleiter-Vorform, insbesondere auf die Herstellung einer Vorform mit einer Stufe oder mit einem Gradienten im Brechungsindex.

Ein Faser-Lichtleiter wird von einem massiven Glaszylinder, der Vorform, gezogen. Die Vorform hat einen zentralen Kern, der von einem ümmantelungsmaterial umgeben ist, und kann im modifizierten Dampfreaktionsniederschlagsverfahren (im englischen Sprachraum als modified chemical vapor deposition (MCVD) bekannt)' hergestellt werden. Dieses Verfahren ist beschrieben von Partus und Saifi in Western Electric Engineer, Band XXIV, Heft 1, 1980, Seiten 39 bis 47. Es werden Schichten aus erschmolzenem dotiertem Quarzglas auf der Innenwandung eines langen Quarzglasrohrs durch die Reaktion von Glasvorläuferdämpfen aufgebaut. Es entstehen dabei Partikel, die sich an der Innenwandung niederschlagen und dort erschmolzen werden. Die Zusammensetzung der Reaktionsmitteldämpfe wird automatisch gesteuert, um eine Stufe oder einen Gradienten im Brechungsindex in

den niedergeschlagenen Glasschichten, die den Kern der Vorform bilden werden, zu erhalten. Wenn eine Faser von der Vorform gezogen wird, wird das niedergeschlagene Glas zum Kern des Faser-Lichtleiters, während das Quarzglasrohr zur Faserummantelung wird.

Insbesondere werden Materialdämpfe, wie GeCL., SiCl., POCl₃ oder dergleichen einem Trägergas, wie Sauerstoff, beigemischt und als Dampfströmung in das Innere des Glasrohrs eingeleitet. Das Glasrohr wird gedreht, während ein Brenner wiederholt seine Länge überquert. Wenn die Gasströmung das Rohr durchquert und in die benachbart zum Brenner gelegene Heizzone gelangt, reagiert sie unter Erzeugung von Oxiden, die sich auf der Innenfläche des Rohrs niederschlagen. Nach zahlreichen Brennerdurchgängen über die Länge des Rohrs hinweg, um die Schichten niederzuschlagen, wird das Rohr erhöhten Temperaturen (z. B. 1900 bis 2000 ⁰C) durch den Brenner während mehrerer Durchgänge ausgesetzt, um das Rohr zu schrumpfen. In einem letzten Durchhang wird dann das Rohr kollabiert, was zu einer massiven stabförmigen Vorform führt.

Ein Problem tritt auf, wenn das Material der Kernschich-

ten einen flüchtigen Dotierstoff, wie Germaniumoxid und/oder Phosphorpentoxid enthält, so daß die erhöhten Temperaturen, die zur Erweichung der Rohrwandung während der Schrumpfungs- und Kollabierungsdurchgänge erforderlich sind, eine Verdampfung und Verlust des Dotierstoffs aus den niedergeschlagenen Kernschichten nach sich ziehen können. Dieses wird dort die Dotierstoff konzentration unerwünscht ändern, was zu einer entsprechenden Änderung des Brechungsindexprofils im Kern der resultierenden Vorform führt.

Nach der US-PS 41 65 224 (Irven et al.) wird versucht, dieses Verdampfungsproblem zu lösen durch Hindurchschicken einer Gasmischung, die Sauerstoff und ein Halogenid oder ein Oxihalogenid des das flüchtige Oxid bildenden Elementes enthält, durch das Rohr während der Schrumpf-Durchgänge. Bei der heißen Zone reagieren beispielsweise das Chlorid und Sauerstoff zum Erhalt von Germaniumoxid und Chlor. Das solcherart gebildete Germaniumoxid neigt zur Dissoziierung und zur Bildung von Germaniummonoxid und Sauerstoff. Das überschüssige Germaniummonoxid sucht die Gleichgewichtsverdampungsreaktion in umgekehrte Richtung zu treiben und dadurch den Verlust an Germaniumoxid aus dem Oberflächenbereich der Rohrinnenwandung zu unterdrücken.

Obgleich sich diese Methode als wirksam hinsichtlich eines verbesserten Brechungsindexes des Vorform-Kerns erwiesen hat, wurde die Halogenid- und Sauerstoffströmung ins Rohrinnere bewußt abgeschaltet, da es nicht länger möglich ist, weiterhin Gase durchströmen zu lassen. Demgemäß kann während des Kollabierungs-Durchgangs die Verflüchtigung von Germaniummonoxid und/oder Germaniumoxid stattfinden, was die Germaniumoxidkonzentration in der inneren Schicht des Kernes der Vorform schädlich ändert und zu einer Einsattelung im Brechungsindexverlauf führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, dem abzuhelfen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für das Verfahren der vorausgesetzten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Hiernach wird im Prinzip ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleiter-Vorform angegeben, wobei eine Mehrzahl dotierter Glasschichten, die ein flüchtiges Oxid eines Elementes enthalten, auf der Innenfläche eines Glasrohrs niedergeschlagen werden. Eine Heizzone überquert dann wiederholt die Länge des Rohrs bei erhöhter

Temperatur, um das Rohr einer Schrumpfung zu unterwerfen und während eines letzten Heizzonendurchgangs einer schließlichen Kollabierung. Eine Gasraischung, die Sauerstoff und ein Halogenid oder ein Oxihalogenid des Elements enthält, strömt während der Schrumpfungsdurchgänge von einer Gaseingangsleitung durch das Rohr. Die Gasmischung fährt während des letzten Heizzonendurchgangs fort, innerhalb wenigstens eines Teils der Gaseingangs leitung zu strömen.

Der hiermit erreichte Vorteil ist vor allem eine praktische Beseitigung der Brechungsindexeinsattelung im Brechungsindexprofil des Kerns der resultierenden Vorform.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den begleitenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 bis 3 den Verfahrensablauf bei der Herstellung einer Lichtleiter-Vorform,

Fig. 4 eine bei der Herstellung einer Lichtleiter-Vorform benutzten Glasdrehbank,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des Germaniumoxid-

konzentrationsprofils im Kern einer nach bekannten Methoden hergestellten Stufenindexvorform,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Germaniumoxidkonzentrationsprofils im Kern einer nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Stufenindex-Vorform,

Fig. 7 eine schematische Ansicht der Vorform während des Kollabierungsdurchgangs und

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des vorliegenden VorformherStellungsprozesses.

Fig. 1 bis 3 zeigen generell die Schritte bei der Vorformherstellung im MCVD-Verfahren. So zeigt Fig. 1 ein Teil eines Quarzglasrohrs 11, dessen Wandstärke etwa 2 mm, dessen Außendurchmesser 16 mm und dessen Länge etwa 100 cm betragen. Fig. 2 zeigt das Rohr 11 nach seiner Beschichtung mit einer Mehrzahl dotierter Schichten 12 auf der Innenseite. Die Schichten haben bei Herstellung einer Vorform mit Brechungsindexstufenprofil sämtlich praktisch denselben Brechungsindex. Bei Herstellung einer Vorform mit einem Gradienten im Brechungsindexprofil nimmt der Brechungsindex in aufeinanderfolgend niedergeschlagenen Schichten zu. Fig. 3 zeigt das Rohr

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mit den hierin niedergeschlagenen Schichten nach der Kollabierung zum Erhalt einer massiven Lichtleiter-Vorform 13, aus der dann ein Faser-Lichtleiter gezogen werden kann.

Fig. 4 zeigt in schematischer Abbildung eine Glasdrehbank 14, wie diese zur Herstellung der Lichtleiter-Vorform 13 benutzt wird. Das Ausgangsglasrohr 11 wird zwischen synchron drehbaren Einspannfuttern 21-21 eingespannt. Während des Rohr 11 gedreht wird, wird es durch einen Gas-Sauerstoff-Brenner 22 erhitzt, der die Länge des Rohrs von links nach rechts langsam überquert und nach dem Durchgang wieder rasch nach links verbracht wird, wonach dann das Ganze so oft wie nötig wiederholt wird. Reaktionsmitteldämpfe und Gas passieren eine Gasexngangsleitung 23 und gelangen in das Innere des Rohrs 11. Wenn der Reaktionsmitteldampf die vom Brenner 22 erzeugte Heizzone (etwa 1500 bis 1600 C) erreicht, werden Oxide erzeugt, die sich vor der Heizzone, d. h. stromabwärts hiervon, auf der kühleren Innenfläche des Rohrs 11 niederschlagen. Dampf und nicht niedergeschlagene Partikel verlassen des Rohr durch das Abzugsrohr 24. Es werden eine Vielzahl solcher Durchgänge (beispielsweise 50) durchgeführt, bis eine vorbestimmte Dicke der Schicht 11 erreicht ist.

Sodann wird das Rohr 11 mit den niedergeschlagenen dotierten Glasschichten 12 auf erhöhte Temperatur (z. B. auf 1900 bis 2000 °C) erhitzt, um ein Erweichen, Schrumpfen und schließliches Kollabieren des Rohrs zu veranlassen und die massive Lichtleiter-Vorform 13 (Fig. 3) zu erzeugen. Dieses wird bewerkstelligt durch Erhöhen der Temperatur des Brenners 22 um eine lokalisierte, verstärkte Heizzone zu erzeugen, die langsam (z. B. mit O,5 bis 2 mm pro Sekunde) längs des Rohrs 11 bewegt wird, um ein lokalisiertes Erweichen der Rohrwandung zu bewirken.Eine Reihe (z. B. 6) Überquerungen der intensivierten Heizzone längs des Rohrs 11 führt zu einem progressiven Schrumpfen des Rohrdurchmessers bis bei einem schließlichen Kollabierungsdurchganq, bei dem die Heizzone von rechts nach links bewegt wird, das Rohr mit seiner Innenbeschichtung 12 vollständig kollabiert, und so die massive Vorform 13 erhalten wird.

Ein Problem tritt auf, wenn das Kernmaterial einen flüchtigen Dotierstoff wie Germaniumoxid (Germania - GeO„) Phosphorpentoxid oder dergleichen enthält. Die zur Erweichung der Rohrwand erforderlichen erhöhten Temperaturen können auch nennenswerte Verflüchtigung und Verluste des flüchtigen Dotierstoffes aus den niedergeschlagenen Schichten verursachen, wodurch das Brechungs-

indexprofil der resultierenden Vorform 13 geändert wird.

Die vorstehend genannte US-PS 41 65 224 beschreibt die Minimalisierung einer solchen Dotierstoffverflüchtigung, wobei eine Mischung von Sauerstoff und einem Halogenid des flüchtigen DotierStoffs während der Schrumpfungsdurchgänge durch das Rohr 11 geschickt wird. So werden vor dem Kollabieren eines Quarzglasrohrs 11, das mit germaniumdotierten Siliciumoxidschichten 12 innenbeschichtet ist, während den Schrumpfungsdurchgängen Germaniumtetrachlorid und Sauerstoff von der Gaseingangsleitung 23 durch das Rohr 11 hindurchgeschickt. Diese Methode unterdrückt den Verlust an Germaniumoxid von der Oberflächenzone der im Rohr 11 niedergeschlagenen Schichten 12 und führt zu einer praktisch konstanten Germaniumoxidkonzentration von etwa 12 Gew.-% mit einer schmalen, nahezu O Gew.-% erreichenden Einsattelung (Fig. 5) bei der Herstellung einer Stufenindexfaser-Vorform 13. Diese zurückbleibende Einsattelung rührt daher, daß während des letzten Kollabierungsdurchgangs das Germaniumtetrachlorid daran gehindert ist, durch das Rohr 11 weiterzuströmen, wenn dieses beim Kollabierungsdurchgang anfänglich (rechts in Fig. 7) verschlossen wird. Deshalb wurde bisher der Germa-

niumtetrachlordifluß während des Kollabierungsdurchganges abgeschaltet, was zu Verdampfung von Germaniumoxid aus der Innenfläche der Rohrwandüng führt.

Im vorliegenden Verfahren wird nun die Germaniumtetrachlorid- und Sauerstoffströmung durch ein Regulierventil 31 in wenigstens einem Teil der Eingangsgasleitung 23 während des Kollabierungsdurchgangs aufrechterhalten. Dieses führt - überraschenderweise - zu einer praktisch vollständigen Beseitigung der Einsattelungsstelle im Germaniumkonzentrationsverlauf von etwa 12 Gew.-%, was sich direkt in einem entsprechenden Brechungsindexprofil der Vorform 13 äußert (Fig. 6). In Fig. 7 ist eine Aüsführungsform zur Durchführung dieses Verfahrens bei Einleitung des Kollabierungsdurchganges dargestellt. Hierbei bewegt sich der Brenner vom Abzugsrohr 24 zur Eingangsgasleitung 23 hin, und die Brennertemperatur ist etwa 2000 ⁰C. Die Größe der Bohrungsöffnung des Rohrs 11 wird während der vorausgegangenen Schrumpfungsdurchgänge auf einen Durchmesser von etwa 3 mm reduziert, bevor mit dem Kollabierungsdurchgang begonnen wird.

Obgleich der Mechanismus nicht voll verstanden wird, scheint eine Unterbrechung des Germaniumtetrachlorid-

dampfflusses im Gaseingangsrohr 21 zu einer Verflüchtigung von Germaniumoxid aus der letzten im Rohr 11 niedergeschlagenen Schicht 12 zu resultieren, was zu der Brechungsindexeinsattelung (Fig. 5) führt. Es wird angenommen, daß durch Aufrechterhalten des Germaniumtetrachlorid- und Sauerstoff flusses durch wenigstens einen Teil der Gaseingangsleitung 23 jeglicher Dampf der aus dieser Leitung in die Bohrung diffundiert und/oder fließt, während das Rohr 11 kollabiert, Germaniumtetrachlorid enthalten wird, was zu einer stationären Germaniumtetrachlorid- und GeO₂~Umgebung in der Bohrung des Rohrs 11 führt. Von einer solchen Gasatmosphäre wurde gefunden, daß sie den Verlust an Germaniumoxid aus der zuletzt niedergeschlagenen Schicht 12 im Rohr 11 praktisch vollständig beseitigt.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Niederschlagen der Schichten 12 ein Teil des Rohrs 11 kollabiert, und zwar der Teil, der beim der Eingangsgasleitung 23 gegenüberliegenden Ende liegt, wie dieses in Fig. 8 dargestellt ist. Der Brenner, der die erhöhte Temperatur liefert, wird dann auf die Eingangsleitung 23 hin bewegt und sodann rasch nach rechts zurückgeführt. Dieser Durchgang wird dann wiederholt (etwa 6 Durchgänge), um das Rohr 11 zu

schrumpfen und schließlich zu kollabieren. Während dieser Durchgänge, kann das Germaniumtetrachlorid nicht das Rohr 11 passieren, aber seine Strömung durch einen Teil der Gaseingangsleitung 23 wird durch öffnen des Ventils 31 aufrechterhalten. Von dieser Methode wurde gefunden, daß sie die Brechungsindexeinsattelung im Kern der resultierenden Vorform 13 wesentlich verringert.

Das Verfahren ist nicht auf Vorformen beschränkt, die im MCVD-Verfahren hergestellt werden. Jedes Verfahren, bei dem Glasschichten mit einem flüchtigen Dotierstoff auf der Innenseite eines zu kollabierenden Glasrohrs zwecks Herstellung einer Lichtleiter-Vorform niedergeschlagen werden, kann gleichermaßen angewandt werden.

Claims

BLUMBACH . WESER:- BERGEN.-· KHAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patenlconsult RadeckeslraBe 43 8000 Mündien 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenborger StraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y._f USA Saifi 3

Verfahren zur Herstellung einer Lichtleiter-

Vorform

Patentansprüche

i, Verfahren zur Herstellung einer Lichtleiter-Vorform durch

- Niederschlagen einer Vielzahl dotierter Glasschichten, die ein flüchtiges Oxid eines Elementes enthalten, auf der Innenwandung eines Glasrohrs,

- wiederholtes Führen einer Heizzone längs des Rohrs, um das Rohr zu schrumpfen und während eines letzten Heizzonendurchgangs schließlich zu kollabieren, und

- Strömenlassen einer Gasmischung, die ein Halogenid oder ein Oxihalogenid des Elementes enthält, aus einer Gaseingangsleitung während der Schrumpfungs-

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

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durchgänge durch das Rohr,
gekennzeichnet durch

- Fortsetzeh! der Gasmischungsströmung innerhalb wenigstens eines Teils der Gaseingangsleitung während des letzten HeiζZonendurchgangs.

Tor fahrer, nach Anspruch * _r dadurch σ e k e η η zeichnet , daß

- mit einer Gasmischung gearbeitet wird, die Sauerstoff und Germaniumtetrachlorid enthält.