DE3133013A1

DE3133013A1 - "verfahren zum herstellen eines lichtleiterfaserrohlings"

Info

Publication number: DE3133013A1
Application number: DE19813133013
Authority: DE
Inventors: Mansoor Ali 08520 East Windsor N.J. Saifi
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-08-26
Filing date: 1981-08-20
Publication date: 1982-04-08
Also published as: FR2489297A1; NL8103951A; JPS5771833A; GB2082568B; GB2082568A

Description

Beschreibung

Verfahren zum Herstellen eines Lichtleiterfaserrohlings

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtleiterfaserrohlings gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Aus einem solchen Rohling kann eine Lichtleiterfaser ausgezogen werden. Die Erfindung zielt speziell ab auf die Herstellung eines solchen Rohlings, der zu verbesserten Übertragungseigenschaften führt.

Pasern für Lichtwellen-Nachrichtenübertragungen werden hergestellt, indem ein massiver zylindrischer Lichtleiterrohling aufgeheizt und die Faser von einem geschmolzenen Abschnitt des Rohlings abgezogen wird. Der Lichtleiterrohling besteht aus einem inneren Kern und einem äußeren Mantel, und die hiervon gezogene Faser weist im wesentlichen die Eigenschaften des Rohlings auf. Beispielsweise besitzen die Dicke des Kerns und des

Mantels dasselbe Verhältnis innerhalb der Faser, wie sie es in dem Rohling besessen haben. In ähnlicher Weise spiegelt sich jede Brechungsindex-Abstufung oder -Änderung in dem Kern des Rohlings in derjenigen innerhalb des Kerns der Faser wisäer. Für Anwendungen auf dem Gebiet der Fernmeldetechnik liegen Faser-Außendurchmesser und -Kerndurchmesser im allgemeinen im Bereich zwischen 100 und 150 Mikrometer, bzw. 50 und 60 Mikrometer»

Eine weithin bekannte Methode zum Herstellen von Lichtleiterrohlingen ist das sogenannte modifizierte chemische Dampfniederschlagungsverfahren (MCVD = Modified Chemical Vapor Deposition), das in der US-PS 4 217 027 beschrieben ist. Die Herstellung des Lichtleiterrohlings geht aus von einem chemisch gereinigten Rohr aus Quarzglas, das in einer Glasdrehbank gedreht wird. Ein Brenner bewegt sich wiederholt entlang des Rohres in einer Richtung, was zu einer heißen Zone (etwa 1500 bis 1600 °) führt, die entlang der Strecke hin- und herläuft. In das drehende Rohr werden, während der Brenner an dem Rohr entlangläuft, chemische Dämpfe geleitet, was zu der Niederschlagung einer gleichförmigen Schicht verschmolzenen dotierten Quarzglases auf der Innenseite des Rohres führt. Auf diese Weise werden Mehrfachschichten niedergeschlagen, um das gewünschte

Rohr/Kern-Massenverhältnis und das gewünschte Indexprofil zu erhalten. Es erfolgen zwischen 50 und 100 Brennerdurchläufe, und die bei jedem Durchlauf verwendete Dotierstoffmenge kann variiert werden, um den Index in jeder aufeinanderfolgend niedergeschlagenen Schicht zur Herstellung eines Gradienten-Indexrohlings zu erhöhen, oder das Dotierstoffniveau kann in jeder Schicht konstant gehalten werden, um einen Stufenindex-Rohling zu bilden.

Die ersten paar Durchläufe verursachen, daß auf der Innenseite des Rohres eine Barrierenschicht niedergeschlagen wird. Diese Schicht schafft eine glatte Innenoberfläche und verhindert, daß Verunreinigungen während der Kernniederschlagung und des Kollabierens in den Kernbereich eindiffundieren.

Diese Methode arbeitet gut und führt zu e.inem Rohling · sowie einer daraus gezogenen Lichtleiterfaser hoher Qualität. Jedoch wird nach dem Niederschlagen der Barrieren- und Kernschichten das Rohr zu einem massiven stangenförmigen Rohling kollabiert, indem das Rohr erhöhten Temperaturen bis zu etwa 1950 ⁰C ausgesetzt wird. Bei derartigen Temperaturen tendieren Blasen, die in der

Nähe der inneren Oberfläche einiger Ausgangsrohre vorhanden sein können, dazu, in und/oder durch die Barrierenschicht und in das Kernmaterial zu wandern. Von einem derartigen Rohling ausgezogene Lichtleiterfasern weisen aufgrund des an den Blasen gestreuten übertragenen Lichts eine übermäßige optische Dämpfung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die oben geschilderten Nachteile vermieden werden, indem sichergestellt wird, daß das Vorhandensein von Blasen in dem Endprodukt weitestgehend ausgeschaltet wird.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es. zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines massiven Lichtleiterrohlings und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines Rohlings.

Das nachstehend erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung nimmt Bezug auf das oben bereits angesprochene modifizierte chemische Dampfniederschlagungsverfahren (MCVD-Verfahren). Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Verfahren beschränkt, sondern ist anwendbar bei jedem Herstellungsverfahren für Lichtleiterrohlinge, bei dem Schichten des Kernglases auf der Innenseite eines Quarzglasrohres niedergeschlagen werden, woraufhin das Rohr dann kollabieren gelassen wird, um den massiven Glasrohling zu bilden.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtleiterrohlings 5, der aus einem zentralen Kern 6 und einem äußeren Mantel 7 besteht. Ein in Fig. 2 dargestelltes hohles Quarzglasrohr 10, welches bei der Herstellung des Lichtleiterrohlings 5 verwendet werden kann, ist von verschiedenen Herstellern erwerbbar. Eine Methode zum Herstellen eines derartigen hohlen Glasrohres 10 ist in der US-PS 3 711 262 beschrieben. In dieser Patentschrift ist beschrieben, daß entlang der Achse einer aus verschmolzener Kieselerde bestehenden Stange ein Loch gebohrt wird. Die nach dem Bohren vorliegende rauhe Oberfläche wird mechanisch und dann durch Flammbehandlung poliert, um eine sehr glatte Oberfläche auf der Innenwand des Rohres 10 zu bilden.

Der erste Schritt bei der üblichen Herstellung des Lichtleiterrohlings 5 besteht darin, das Quarzglasrohr 10 zu reinigen. Das Rohr 10 wird in ein schwaches Säureätzmittel (z. B. HF : HNO- : H_0) gebracht und dann wird entionisiertes Wasser durch das Rohr gespült? um es auszuspülen und zu reinigen. Als nächstes wird das Rohr 10 wenigstens zwei Stunden in eine Trockenkammer mit gefilterter Luft gebracht. Dann kann das Rohr 10 drehbar (siehe Pfeil in Fig. 2) in eine Glasdrehbank (nicht dargestellt) eingespannt werden. Eine typische Glasdrehbank ist auf Seite 46 der Ausgabe vom Winter 1980 von "The Western Electric Engineer" beschrieben»

Durch das Innere des sich drehenden verschmolzenen selerde-Substratrohres 10 werden über Durchflußmesser und einen Krümmer 11 ausgewählte Gase (z. B. O₀, SiCl„, GeCl₄, POCL₃, BCl-) geleitet. Entlang der Außenseite des Rohres 10 bewegt sich wiederholt ein Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner 12, um eine Hitzesone zu schaffen, die sich langsam von links nach rechts bewegt, (2. B. mit 0,3 cm/Sekunde), und der Brenner kehrt rasch nach links zurück und wiederholt den Durchlauf, wodurch eine gleichförmige Schicht dotierter Kieselerde auf der Innenfläche des Rohres niedergeschlagen wird. Es werden mehrere Schichten niedergeschlagen, um das richtige Rohr/Kern-

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Massenverhältnis und das richtige Indexprofil zu erzeugen. Es erfolgen 50 bis 100,Durchläufe des Brenners 12, und die Menge des DotierStoffs kann mit jedem Durchlauf variiert werden, um einen Gradientenindex-Lichtleiterrohling zu bilden, oder das Dotierstoffniveau kann konstant gehalten werden, um einen Stufenindex-Rohling herzustellen.

O₂ reagiert mit SiCl. und geeigneten Dotierstoffen, von denen einige als Feinungsverbindungen dienen, die Schmelztemperatur und die Viskosität des Niederschlags werden gesenkt, um ihn homogener zu machen. Typische Feinungsverbindungen sind POCl₃ (hierdurch wird der Brechungsindex erhöht) und BCl₃ (hierdurch wird der Index vermindert). Vorherrschend bilden sich Oxide von SiCl.

und dem Dotierstoff bei· Eintritt in die heiße Zone. Beim Durchlaufen der Zone werden Oxidpartikel durch die kinetische Energie der auf hoher Temperatur befindlichen Teilchen direkt an die Oberfläche getrieben. Stromabwärts bezüglich der Heizzone ist das Rohr 10 relativ kalt, und die Treibkraft ist in Richtung der Rohrwand gerichtet. Somit lagern sich die Oxidpartikel stromabwärts an und werden anschließend durch die durch den bewegten Brenner 12 verursachte Hitzezone geschmolzen. Die verbleibenden Reaktionsprodukte v/erden ausgeblasen.

Um einen Gradientenindex-Kern niederzuschlagen, wird die Dotierstoffströmung (GeCl₄) systematisch erhöht, während die Strömung von SiCl. und der Fällungverbindungen relativ konstant gehalten werden, wodurch eine anwachsende GeO^-Konzentration und somit ein ansteigender Brechungsindex innerhalb jeder aufeinanderfolgenden Schicht des Kernmaterials erzielt wird.

Ist einmal die gewünschteAnzahl von Schichten niedergeschlagen, wird das Rohr 10 zum Kollabieren gebracht. Dies erfolgt dadurch, daß die Laufgeschwindigkeit des Brenners in Richtung von rechts nach links vermindert wird, während die Temperatur des Rohres 10 auf 1950 °C ansteigen kann. Da die Hitze das Rohr 10 erweicht, verursacht die Oberflächenspannung ein schrumpfen des Rohres. Ein geringer Innen-Uberdruck (z-·. B. 0,5 bis 1,0 Zentimeter Wassersäule) wird innerhalb des Rohres während des Schrumpfens und Kollabierens aufrechterhalten, um die Konzentrizität des Rohres zu erhalen. Bei einem abschließenden Durchlaufen der Hitzezone wird das Rohr 10 zu einer massiven Stange, d. h. zu einem Lichtleiterrohling 5 kollabiert.

Ein derartiges Verfahren zum Herstellen eines Rohlings ist bekannt und hat sich als äußerst wirksam erwiesen=

Es wurde jedoch erkannt, daß wenn das Rohr mit den darin niedergeschlagenen Schichten während der Schrumpfungs- und Kollabierungsdurchläufe Temperatur um 1950 °C ausgesetzt wird, jegliche Bläschen, die sich in der Nähe der inneren Oberfläche des Rohres 10 befinden, dazu tendieren, in den flüssigeren Bereich des Kerns 6 zu wandern. Dies kann die Gleichförmigkeit der den Kern 6 in dem Rohling 5 bildenden niedergeschlagenen Glasschichten zerstören, was zu einer übermäßigen optischen Dämpfung in den von dem Rohling ausgezogenen Lichtleiterfasern führt.

Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß das Rohr 10 vor der Niederschlagung irgendwelcher Schichten auf seiner inneren Oberfläche erhöhten Temperaturen (z. B. 1600 bis 2000 ⁰C) ausgesetzt wird. In einem speziellen Ausführungsbeispiel wurde das' Rohr 10 in der Glasdrehbank angeordnet und gedreht, wie es oben beschrieben wurde. Der Brenner 12 machte entlang des Rohres 10 mehrere Durchläufe, wobei die Temperatur der Heizzone nach und nach von 1600 auf 1950 ⁰C erhöht wurde, während nur 0_ durch das Rohr 10 geleitet wurde. Eine.derartige verstärkte Aufheizung weitet die eingeschlossenen Bläschen an oder in der Nähe der inneren Oberfläche des

Rohres 10 auf und bewirkt, daß die Bläschen aufbrechen« Später niedergeschlagene Barrierenschichten glätten die innere Oberfläche des Rohres 10.

Die Anzahl von Durchläufen mit erhöhter Temperatur sowie die Temperatur selbst hängen ab von der Menge der Bläschen in dem Rohr 10 und dem Rohrmaterial. Reine Quarzglasrohre 10 benötigen eine Temperatur von etwa 1950 ⁰C, um die Bläschen zu entfernen. Lediglich ein einzelner Durchlauf des Brenners 12 ist in der Lage, die Bläschen im wesentlichen zu entfernen,, wenn ihre Anzahl gering ist und sie dicht an der inneren Oberfläche des Rohres 10 liegen. Es können jedoch mehrere Durchläufe erforderlich sein, wenn eine beträchtliche Anzahl von Bläschen vorhanden ist, die möglicherweise entfernt von der inneren Oberfläche des Rohres 10 liegen. In der Praxis wird das Rohr 10 visuell überwacht, während es der erhöhten Temperatur ausgesetzt wird» Wenn die inneren Abschnitte des Rohres 10 im wesentlichen blasenfrei sind, kann die Temperatur erniedrigt und können die Schichten niedergeschlagen werden«, Es sollte beachtet werden, daß der oben erwähnte Überdruck in dem Rohr 10 während des Verfahrensschritts, bzw. während den Verfahrensschritten zum Entfernen der Bläschen aufrechterhalten werden sollte.

Nachstehend werden Einzelheiten eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der Verfahrensabfolge beim Herstellen eines Lichtleiterrohlings 5 unter Verwendung eines Quarzglasrohres 10 mit einem Innendurchmesser
von 16 mm und einem Außendurchmesser von 20 mm sowie einer Länge von 100 cm angegeben:

Durchlauf Nummer 1 - 3

4-9

Vorgang

Hochtemperaturdurchlauf 1600
1950 °C

Barrierenschichten

SiCl,

1 g/min

10 - 56

57 - 60

BC1_ 20 cc/min
O- 2000 cc/min
Kernschichten

(Temperatur betrug 1660 ° bis 1500 ⁰C, gleichmäßig abnehmend nach jedem Brennerdurchlauf bei etwa 0,26 cm/sec.) SiCl₄ mit 100 (1,2 g/min)
GeCl. mit 0,78 g/min
POCl mit 0,045 g/min

Insgesamt O₂ etwa 2,5 l/min

Schrumpfen mit Kollabieren (bei 1950 C)

Sämtliche Temperaturen wurden mittels eines Williamson-Pyrometers gemessen, mit dem die Strahlungsdichte bei 3,5 Mikrometer zum Ermitteln der Temperatur bestimmt wurde.

Leerseite

Claims

BLUMBACH ..WESTER- BERGBN . KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Palentconsull Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Palentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Saifi 4

Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen eines Lichtleiterfaserrohlings, bei dem ein Glasrohr erhitzt wird, während ausgewählte Gase durch das Gasrohr geleitet werden, um eine vorbestimmte Menge dotierter (Sasteilchen auf der Innenseite des Rohres niederzuschlagen, das Rohr einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, die ausreicht _t das Rohr zu schrumpfen und schließlich zu einem Lichtleiterfaserrohling kollabieren zu lassen, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr vor dem Niederschlagen der dotierten Glasteilchen solange und auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, daß in der Nähe der inneren Oberfläche des Rohres befindliche Blasen entfernt werden»

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Plpl.-Phys. Dr. ror. nat. · E. Hoffmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Olpl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-A?.s., Pat.-Anw. bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß während des Entfernens der Blasen innerhalb des Rohres ein Überdruck erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß während des Entfernens von Blasen Sauerstoff durch das Rohr geleitet wird. ·
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß während des Entfernens von Blasen Helium durch das Rohr geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr dadurch aufgeheizt wird, daß ein Brenner wiederholt entlang des Rohres geführt wird, um eine sich bewegende Wärmezone zu schaffen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Glasrohr während der Aufheizvorgänge gedreht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Glasrohr aus reiner Kieselerde besteht, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur bei dem Entfernen von Blasen etwa 1950 °C beträgt.
8. Blasenfreier Lichtleiterfaserrohling, dadurch gekennzeichnet , daß er nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.