DE3206143C2 - - Google Patents

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DE3206143C2
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Hans-Peter Dipl.-Phys. 7910 Neu Ulm De Huber
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Herstellung einer Vorform, aus der optische Fasern ziehbar sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Anordnung ist beispielsweise bekannt aus der DE 24 15 052 A1.
Optische Fasern, auch Lichtwellenleiter genannt, werden bei optischen Nachrichtenübertragungssystemen als Über­ tragungsleitung benutzt.
Bei der Herstellung optischer Fasern, insbesondere opti­ scher Glasfasern, wird zunächst eine sogenannte Vorform hergestellt, die zylinderförmig ist und die im wesentli­ chen die gleiche Querschnittsstruktur besitzt wie die aus dieser Vorform durch einen Ziehvorgang hergestellte opti­ sche Faser.
Zur Herstellung einer derartigen Vorform sind verschiedene Verfahren geeignet. Bei den sogenannten CVD-Verfahren wird zunächst die Innenfläche eines Rohres, z. B. eines Quarz­ glasrohres, mit mindestens einer glasbildenden Schicht beschichtet. Diese rohrförmige Vorform wird anschließend, zumindest in einem Teilbereich, zu einem Glasstab kolla­ biert, der zu einer optischen Faser ausgezogen wird. Ein derartiges CVD-Verfahren hat den Nachteil, daß eine Abscheidung von vielen Schichten, z. B. bei einer optischen Gradientenfaser benötigt wird, sehr zeitaufwen­ dig ist. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren lediglich eine geringe Abscheidungsrate der abzuscheidenden Schich­ ten.
Bei dem sogenannten VAD-Verfahren wird auf einem Träger­ stempel aus Quarz in axialer Richtung ein mit Dotierstoff versehener Quarzglasruß abgeschieden, wobei ein Sauer­ stoff-Wasserstoff-Brenner verwendet wird. Entsprechend dem gewünschten Brechzahlprofil der optischen Faser ist die radiale Dotierstoffverteilung zu wählen. Während des Aufwachsprozesses rotiert der Trägerstempel und wird axial in einer Richtung bewegt.
Der Glasrußstab wird nach einer Behandlung mit Cl2-Gas, zur Beseitigung von OH--Ionen, zu einem glasigen Stab ge­ sintert. Dieser wird anschließend mit einem Quarzglasrohr überfangen, das den Mantel der optischen Faser bildet. Aus dieser Vorform wird die optische Faser gezogen. Das VAD-Verfahren hat den Nachteil, daß es viele Verfahrens­ schritte erfordert. Außerdem besteht in nachteiliger Weise die Möglichkeit, daß beim Sintern chemische Verunreini­ gungen sowie eine Verformung des Glasrußstabes auftreten können.
Bei einem weiteren Verfahren werden auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden stab- und rohrför­ migen Trägerkörpers aus Quarzglas mehrere dotierte und/oder undotierte Quarzglasschichten abgeschieden. Dieser Abscheidungsvorgang erfolgt mit Hilfe eines Wasserstoff-Sauerstoff-Brenners oder eines Plasmabrenners, der in axialer Richtung zum Trägerkörper bewegt wird. Nach dem Abscheidungsvorgang wird der Trägerkörper entfernt, z. B. ausgebohrt und/oder herausgeätzt, so daß eine rohrförmige Vorform entsteht, die kollabiert und zu einer optischen Faser ausgezogen wird. Dieses Verfahren hat insbesondere folgende Nachteile:
  • - der Schichtaufbau in radialer Richtung dauert sehr lange, wodurch Profilstörungen der optischen Faser kaum vermeidbar sind;
  • - das Ausbohren und/oder Ausätzen des Trägerrohres ist sehr aufwendig und zeitraubend;
  • - es ist eine hohe Präzision beim Abätzvorgang erforder­ lich, da sonst eine Verfälschung des Brechzahlprofils auftritt;
  • - störende OH--Verunreinigungen sind schwer vermeidbar, da bei einigen Verfahrensschritten, z. B. dem Ätzvorgang, Wasser vorhanden ist;
  • - das Verfahren erfordert viele mit möglichen Fehlern behaftete Verfahrensschritte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung anzugeben, die eine kostengün­ stige und gut wiederholbare Herstellung von chemisch und physikalisch hochgenauen Vorformen ermöglicht, aus denen möglichst mehrere Kilometer lange optische Fasern her­ stellbar sind, die insbesondere einen sehr niedrigen OH-- Ionengehalt aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk­ male.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprü­ chen entnehmbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen und schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel ge­ mäß Fig. 1 an der mit A-B bezeichneten Stelle.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß eine wirt­ schaftliche Herstellung einer Vorform nur dann möglich ist, wenn es gelingt, den für eine optische Faser benötig­ ten Schichtenaufbau in einer möglichst kurzen Zeit vorzu­ nehmen. Außerdem soll die Vorform möglichst viel Material enthalten, so daß eine möglichst lange optische Faser ge­ zogen werden kann, z. B. in einer Länge von mehr als 40 Kilometern.
Gemäß den Fig. 1 und 2 wird diese Forderung dadurch er­ reicht, daß bei einem Anfangskörper 1, z. B. einem Gra­ phitrohr, dessen äußere Mantelfläche gleichzeitig entlang einer Mantellinie, parallel zur Längsachse des Anfangs­ körpers, mit einer glasbildenden Schicht beschichtet wird.
Es genügt dann beispielsweise eine einzige Umdrehung des Anfangskörpers 1, um die gewünschte Schicht zu erzeugen. Diese Umdrehungen sind möglich mit Hilfe jeweils einer Lagerung 3 an jedem Ende des Anfangskörpers 1 sowie einem darauf aufgesetzten weiteren Rohr 4, das mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden ist. Der zu beschichtende Bereich des Anfangskörpers 1 ist allseitig von einem Reak­ tionsgefäß 2 umgeben, z. B. einem Metallrohr, in dem sich schlitzförmige Durchführungen 5, 6 befinden, die z. B. einen Einlaß- und einen Auslaßschlitz bilden. Durch diese Durchführung 5 werden dem Anfangskörper 1 gleichzeitig auf der gesamten Länge des zu beschichtenden Bereichs glasbildende gasförmige und/oder feste Stoffe 7 zugeführt, z. B. gasförmige SiCl4 mit gasförmigen Dotierungsstoffen sowie Sauerstoffgas und/oder dotierte oder undotierte kleine Glaspartikel (Glasruß). Die möglicherweise vorer­ wärmten Stoffe 7 werden auf dem Anfangskörper 1 zu minde­ stens einer Schicht verschmolzen, z. B. mittels heißer Gase 8, die durch den Innenraum des Anfangskörpers 1 geleitet werden. Es ist vorteilhaft, den Anfangskörper 1 als Gra­ phitrohr auszubilden und dieses durch unmittelbaren elek­ trischen Stromdurchgang zu erwärmen. Die Lagerungen 3 dienen dabei gleichzeitig als elektrische Kontakte. Während des Abscheidens der Schicht(en) wird ein Oxidieren (Ver­ brennen) des Graphitrohres vermieden durch ein durch das Rohr geleitetes Schutzgas, z. B. Argon (Ar). Nach der Been­ digung des genannten Abscheidungsvorganges wird das er­ wärmte Graphitrohr mit einem oxidierenden Gas, z. B. Sauer­ stoff, gespült und verbrannt. Es entsteht die gewünschte Vorform, aus der optische Glasfasern gezogen werden können.
Die bei der Abscheidung im Reaktionsgefäß 2 entstehenden störenden Nebenprodukte, z. B. überschüssiger Glasruß, wer­ den durch die ebenfalls schlitzförmige Durchführung 6 ent­ fernt, z. B. abgesaugt.
Die beschriebene Abscheidung der Schicht(en) kann in viel­ fältiger Weise unterstützt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Stoffe 7 elektrisch zu laden, z. B. mit Hilfe einer innerhalb des Reaktionsgefäßes 2 erzeugten Plasma­ entladung. Die derart geladenen Stoffe 7 sind dann bevor­ zugt auf den Anfangskörper 1 abscheidbar, z. B. mit Hilfe geeignet geformter elektrischer und/oder magnetischer Fel­ der. Außerdem ist es möglich, das Reaktionsgefäß 2 innen zu verspiegeln und gegebenenfalls zusätzlich zu kühlen, so daß ein die Abscheidung begünstigender Temperaturgra­ dient entsteht (Thermophorese).
Besonders günstig ist, in dem Reaktionsgefäß 2 ein Nie­ derdruckplasma bei einem Druck von ungefähr 15 Millibar zu erzeugen, da dann der Anfangskörper 1 bei der Abschei­ dung der Schicht(en) auf einer niedrigeren Temperatur ge­ halten werden kann. Durch eine entsprechende Temperatur­ wahl ist es möglich, die Schicht entweder als Glasruß ("soot") oder glasig abzuscheiden. Da das Niederdruckplas­ ma elektrisch geladene Teilchen enthält, ist es möglich, den Ort der Abscheidung zu steuern oder zu regeln. Bei­ spielsweise kann die Plasmaentladung eine punktförmige Ab­ scheidung auf der Oberfläche des Anfangkörpers bewirken. Diese punktförmige Abscheidung wird auf der Oberfläche ent­ lang einer Mantellinie hin- und herbewegt, bei gleichzeiti­ ger Drehung des Anfangskörpers, so daß eine zusammenhängende Schicht abgeschieden wird. Außerdem ist es möglich, in dem Reaktionsgefäß 2 platten- und/oder stabförmige Elektroden anzuordnen, die eine linienförmige Abscheidung der Schicht entlang einer Mantellinie des Anfangskörpers bewirken.
Weiterhin ist es möglich, bei der Abscheidung der Schicht mindestens eine schichtbildende Komponente, z. B. Silizium­ tetrachlorid-Gas (SiCl4), in axialer Richtung durch das Reaktionsgefäß strömen zu lassen. Zur Vermeidung einer konisch abgeschiedenen Schicht ist es zweckmäßig, bei­ spielsweise die Strömungsrichtung umzukehren innerhalb ei­ nes bestimmten Zeittaktes. Eine weitere Möglichkeit be­ steht darin, zwei entgegengesetzt gerichtete axiale Strö­ mungen zu wählen und die bei der Abscheidung entstehenden Nebenprodukte z. B. überschüssiger Glasruß, in der Mitte des Reaktionsgefäßes in radialer Richtung abzusaugen. Da die Abscheidung der Schicht in einem Niederdruckplasma bei einer niedrigen Temperatur, z. B. 500°C, des Anfangskör­ pers möglich ist, ist es zweckmäßig, die Abscheidungsrate mit Hilfe des sogenannten Thermophorese-Effektes zu er­ höhen. Dieses wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das Reaktionsgefäß 2 auf einer höheren Temperatur gehalten wird als der Anfangskörper 1. Innerhalb des Reaktionsge­ fäßes ist dadurch ein Temperaturgradient vorhanden, der die Abscheidungsrate erhöht.
Bei der beschriebenen Abscheidung ist es nicht notwendig, die für eine optische Glasfaser benötigte vollständige Schichtenfolge, Kern- und Mantelglas, abzuscheiden. Es ist möglich, lediglich das Kernglas abzuscheiden und dieses anschließend mit einem gesondert hergestellten rohrförmi­ gen Mantelglas zu umgeben (überfangen). Aus einer derarti­ gen Vorform wird anschließend die optische Glasfaser ge­ zogen.

Claims (15)

1. Anordnung zur Herstellung einer Vorform, aus der optische Fasern ziehbar sind, durch Abscheiden glasbildender Stoffe in einer oder mehreren Schichten auf der Mantelfläche eines in einem Reaktionsgefäß angeordneten zylindrischen Anfangskörpers, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß eine schlitzförmige Durch­ führung (5) aufweist, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des Anfangskörpers verläuft und dieselbe Länge besitzt wie ein zu beschichtender Bereich auf dem Anfangskörper und durch die die glasbildenden Stoffe zugeführt sind, und daß sich außerhalb des Reaktionsgefäßes mindestens eine Lagerung befindet, die eine relative Drehung von Anfangskörper und Reaktionsgefäß gegen­ einander sowie eine elektrische Stromzuführung und eine Gas­ spülung des Innenraums des Anfangskörpers ermöglicht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß (2) auf der dem Anfangskörper (1) zugewandten Seite verspiegelt und/oder gekühlt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere schlitzförmige Durchführung zum Abführen störender Nebenprodukte bei der Abscheidung im Reaktionsgefäß vorhanden ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb und/oder außerhalb des Reaktionsgefäßes (2) ein nach Maßgabe der abzuschneidenden Schicht dotierter Glasruß erzeugbar ist, der auf den Anfangskörper (1) aufschmelzbar ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plasmaentladung vorhanden ist, die eine Abscheidung der Schicht unterstützt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anfangskörper (1) und dem Reaktionsgefäß (2) ein elektrisches und/oder ein magnetisches Feld vorhanden ist, das die Abscheidung der Schicht begünstigt.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktionsgefäß (2) ein Niederdruckplasma vorhanden ist, dessen Gasdruck ungefähr fünfzehn Millibar beträgt.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Plasmaentladung auf die Oberfläche des An­ fangskörpers (1) konzentriert ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaentladung im wesentlichen entlang einer Mantellinie des Anfangskörpers (1) hin- und herführbar ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaentladung im wesentlichen gleichzeitig entlang einer Mantellinie des Anfangskörpers (1) erfolgt derart, daß die Ab­ scheidung der Schicht im wesentlichen gleichzeitig erfolgt.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Reaktionsgefäß (2) und der Anfangskörper (1) die zur Plasmaentladung nötigen Elektroden bilden.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Reaktionsgefäß mindestens zwei stab- oder plattenförmige Elektroden vorhanden sind, zwischen denen eine Plasmaentladung stattfindet.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine schichtbildende Komponente in axialer Richtung durch das Reaktionsgefäß (2) fließen kann.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine schichtbildende Komponente gleichzeitig oder alternativ in gegenläufiger Richtung durch das Reaktionsgefäß (2) fließen kann und bei der Abscheidung der Schicht entstehende Neben­ produkte das Reaktionsgefäß (2) in radialer Richtung verlassen können.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Anfangskörper (1) und dem Reaktions­ gefäß (2) eine derartige Temperaturdifferenz besteht, daß die Abscheidung der Schicht durch den Thermophorese-Effekt verstärkbar ist.
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