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Verfahren zur Herstellung von optischen Glasfasern
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mit einem Gradientenindexprofil Die Erfindung betrifft ein Verfahren
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 3.
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Derartige Verfahren sind bekannt aus der DE-AS 23 13 203.
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Dort ist mit Fig. 4 das Verfahren der Rohrinnenbeschichtung und mit
Fig. 2 das Verfahren der Außenbeschichtung eines Grundkörpers gezeigt. Wie die Fig.
7 zeigt, wird bei beiden Verfahren die Dotiermittelkonzentration von Schicht zu
Schicht um den gleichen Betrag erhöht, und die Schichtdicken werden variiert, damit
unterschiedliche Steigungen der vom Radius abhängigen Dotiermittelkonzentration
entstehen. Wie die Fig. 7 zeigt, nehmen die Schichtdicken bei konstanter Differenz
der Dotiermittelkonzentration von außen nach innen zunächst ab und dann wieder zu,
so daß das Brechungsindexprofil zunächst starker und dann nur noch schwach ansteigt.
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Dies bedeutet, daß die innersten der aufgebrachten Schichten relativ
dick sind und die fertige Faser dadurch einen Schichtaufbau erhält, der im Bereich
der Kernmitte eine deutlich gröbere Schichtstruktur als im Randbereich des Faserkerns
hat.
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Hinsichtlich der Rohrinnenbeschichtung besteht die gleiche Schwierigkeit
auch bei Verfahren wie z. B. bei dem aus Proceedings of the IEEE, September 1974,
S. 1280 bis 1281 bekannten, bei denen Schichten gleicher Dicke im Glasrohr abgeschieden
werden, oder bei Verfahren, bei denen Schichten gleicher Querschnittsfläche abgeschieden
werden (Applied Optics, July 1976, Vol. 15).
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Auch hierbei entsteht durch die beim Kollabieren des Rohres stattfindende
geometrische Transformation in der.
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stabförmigen Vorform und schließlich in der Faser im Bereich der Kern
tte eine wesentlich gröbere Schichtstruktur als im Randbereich des Faserkerns.
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Es ist daher schwierig, mit den bekannten Verfahren der Innenbeschichtung
eines Glasrohres oder der Außenbeschicht ung eines zylindrischen Grundkörpers eine
Faser mit exaktem Brechungsindexverlauf herzustellen. Störungen des Brechungsindexverlaufs
im Bereich der Kernmitte, die durch eine zu grobe Schichtstruktur bedingt sind,
bewirken eine hohe Modendispersion und sind häufig die U rsache für das Modenrauschen
auf einer faseroptischen Nachrichtenübertragungsstrecke. Die Bandbreite der mit
den bekannten Verfahren herstellbaren Fasern ist infolgedessen hegrenzt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der Innenbeschichtung
eines Rohres und ein Verfahren der Außenbeschichtung eines zylindrischen Grundkörpers
anzugeben, mit dem sich optische Glasfasern mit einem Brechungsindexverlauf herstellen
lassen, der, insbesondere im Bereich der Kernmitte, dem idealen parabolischen Verlauf
möglichst nahe kommt.
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Die Lösung der Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 3 angegeben.
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmba r.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße Abstufung der Schichtdicken
und der Dotiermittelerhöhung bei der Innenbeschichtung von Glasrohren Fig. 2 die
Schichtdicken und das Profil der Dotierungskonzentration bei der kollabierten Faser-Vorform
oder bei der daraus gezogenen Faser.
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Fig. 3 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens der Rohrinnenbeschichtung.
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In der Fig. 1 zeigen die Markierungen auf der waagrechten Achse eine
Folge von Schichten, die auf der Innenwand des Glasrohres aufgebracht sind, wobei
die Aufeinanderfolge der Schichten von links nach rechts zu zählen ist. Die D erste
auf dem Rohr mit dem Innenradius r = 2 aufgebrachte 0 Schicht ist also am linken
Ende der waagrechten Achse dargestellt und die letzte Schicht am rechten Ende dieser
Achse. Der Innenradius des mit z Schichten innenbeschichteten D Rohres ist r = 2
- B, wenn D der Innendurchmesser des unz 2 beschichteten Rohres und B die Gesamtdicke
der Z Schichten ist.
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Wie die Abstände der Markierungen zeigen, werden bei dem Verfahren
nach der Erfindung nacheinander Schichten aufgebracht, deren Dicken von Schicht
ZU Schicht mit einer bestimmten Gesetzmäßigkeit abnehmen, ddmit die durch Kollabieren
des innenbeschichteten Rohres entstehende stabförmige Vorform und somit auch letztlich
die daraus gezogene Faser schließlich Schichten mit annähernd gleicher Dicke hat.
Die beim Kollabieren des innenbeschichteten Rohres stattfindende Transformation
der Schichtdicken wird also beim vorliegenden Verfahren kompensiert.
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Die Transformation des Radius r einer Schicht des Rohres n in den
Radius rl der daraus entstehenden Schicht in der Vorn form läßt sich beschreiben
durch
Diese Beziehung ergibt sich aus der Gleichheit der Fläche des Kreisringes mit dem
Innenradius D - B und dem 2 Außenradius r ( der Rohrinnenbeschichtung) und der n
Fläche des Kreises mit dem Radius r n ( der Vorform ). Die oben genannte Forderung,
daß die auf der Rohrinnenwand aufgebrachten Schichten beim Kollabieren i gleich
dicke Schichten der Vorform übergehen sollen, wird nun dadurch erfüllt, daß die
Dicken der nacheinander aufgebrachten Z Schichten des Rohres wie folgt abgestuft
werden:
Dabei ist r der Oberflächenradius der n-ten Schicht n (n-0, 1, Z.....Z), in anderen
Worten, der Innenradius des mit der n-ten Schicht innenbeschichteten Rohres und
R der Radius des Kerns, der durch Kollabieren des innenbeschicht e t e Rohres aus
dessen Z Schichten entsteht.
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Da beim Kollabieren das Gesamtvolumen der aufgebrachten Schichten
des Rohres in den massiven Kern mit dem Radius R übergeht, gilt für diesen Radius
R:
entsprechend der Transformationsgleichung (1). Der Beweis, daß mit der Abstufung
der Schichtdicken im Rohr nach Gleichung (2) die genannte Forderung tatsächlich
erfüllt wird, läßt sich leicht erbringen, wenn man die Dicke rn- rn 1 irgendeiner
Schicht n (n = 1, 2, 3, Z) in der Vorform nach und r bzw. r 1 nach der Gleichung
(2) einsetzt. Es ern n-1 gibt sich dann, daß jede Schicht der Vorform die Schichtdicke
r'-r' 1 = R hat, d. h. daß der Kern der Vorform mit n n-1 Z dem Radius R aus Z Schichten
mit der gleichen Schichtdicke besteht. ( Zu dieser Betrachtungsweise des Kernaufbaus
Z ist zu bemerken, daß der innerste Kernbereich der Vorform, der aus der letzten
im Rohr aufgebrachten Schicht mit dem D Oberflächenradius rz = 2 ~ B entsteht, auch
als Schicht bezeichnet wird, deren innerer Radius ritz gleich 0 ist).
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Den Aufbau des Kerns der Vorform aus Z Schichten mit der R gleichen
Dicke z zeigt die waagrechte Achse der Fig. 2.
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Z Im folgenden sei nun das Dotierungsprofil betrachtet, das für die
Dotierung der einzelnen Schichten auf der Innenwand des Rohres anzuwenden ist, wenn
diese Schichten nach dem vorstehend beschriebenen neuen Verfahren mit fortlaufend
abnehmenden Schichtdicken aufgebracht werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß das Dotierprofil beim neuen Innenbeschichtungsverfahren
im wesentlichen den bekannten linearen Verlauf hat, wobei allerdings die Sch rittweiten
der
von Schicht zu Schicht stattfindenden Erhöhung der Dotiermittelkonzentration an
die erfindungsgemäß veränderten Schichtdicken angepaßt werden.
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Bekanntlich muß die Dotierung bei der Innenbeschichtung mit mehreren
Schichten einen linearen Verlauf haben, wenn die Vorform und schließlich die daraus
gezogene Faser einen parabolischen Brechungsindexverlauf mit dem Exponenten i =
2 haben soll (vgl. z. B. die eingangs genannte Druckschrift "Applied Optics...").
Diese Voraussetzung wird auch beim vorliegenden Verfahren erfüllt. Wie die über
dem Radius in Fig. 2 aufgetragene Dotierungskonzentration zeigt, wird die Konzentration
eines den Brechungsindex erhöhenden Dotiermittels, z. B. Ge02lvon Schicht zu Schicht
linear von Null auf einen vorgegebenen Maximalwert erhöht, wobei die Schrittweiten
der Erhöhung entsprechend den Schichtdicken von Schicht zu Schicht abnehmen. Es
werden also im Verlaufe der Innenbeschichtung nicht nur die Schichtdicken in bestimmter
Weise gesteuert, sondern auch die Konzentrationen der Dotierung der einzelnen Schichten
entsprechend angepaßt.
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Die Fig. 2 zeigt nun das durch Kollabierung des gemäß Fig. 1 innenbeschichteten
Rohres entstehende Profil der Dotierungskonzentration im Kern der Vorform, wobei
Diffusionen des Dotiermittels an den Schichtgrenzen und die bekannte Dotiermittelverdampfung
beim Kollabieren im Zentrum des entstehenden Kerns nicht berücksichtigt ist.
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Es ist deutlich zu sehen, daß die Annäherung des Dotierprofils an
das gewünschte ideale Profil in Richtung zur Kernmitte zunehmend genauer wird (wogegen
bei bekannten Verfahren die Profilstruktur zur Kernmitte hin erheblich vergröbert
wird)
Da unzureichende Dispersionseigenschaften von Fasern vorwiegend
durch Abweichungen des Profils im Bereich der Kernmitte vom idealen Verlauf verursacht
zu sein scheinen, verspricht das neue Verfahren, mit dem sich das ideale Profil
im Bereich der Kernmitte genauer als bisher annähern läßt, eine merkliche Verringerung
der Dispersion der Faser und damit eine Vergrößerung der Ubertragungsbandbreite.
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Abgesehen davon läßt sich durch das vorliegende Verfahren vermutlich
auch der bekannte durch Dotiermittelverdampfung verursachte Brechungsindexabfall
im Kern verringern.
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Zu den Fig. 1 und 2 sei abschließend noch bemerkt, daß sich selbstverständlich
auch andere Brechungsindexprofile als parabolische mitO<= 2 herstellen lassen,
falls dies erwünscht ist. Hierzu wird die Dotierung entsprechend einer Kurve, die
bezüglich der Geraden bei gleichem Dotierungsendwert konvex oder konkav verläuft,
erhöht, so daß der gewünschte Exponent i erreicht wird. Ergänzend dazu können auch
die Schichtdicken leicht variiert werden, so daß sie bei der Vorform nicht mehr
genau, sondern nur angenähert gleich sind, vorausgesetzt, daß der Vorteil der besseren
Annäherung des Profils an den idealen gewünschten Verlauf im Bereich der Kernmitte
erhalten bleibt.
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Schließlich wird noch eine zur Durchführung des neuen Innenbeschichtungsverfahrens
geeignete Anlage grob erläutert.
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Prinzipiell kann die Erfindung bei allen bekannten Rohrinnenbeschichtungsverfahren
für die Herstellung von Glasfaserlichtleitern angewendet werden, beispielsweise
bei den sogenannten CVD-Verfahren (CVDt Chemical Vapor Deposition)bei denen die
Schichten durch Abscheidung aus einer im Rohr stattfindenden chemischen Dampfphasenreaktion
aufgebracht werden. Hierbei ist es prinzipiell gleich-
gültig,
ob die für die Reaktion notwendige Energie von einem Brenner, einer plasmaerzeugenden
Vorrichtung oder einer anderen Energiequelle bereitgestellt wird, d. h.
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die Erfindung ist auch beim sogenannten Plasma-CVD (PCVD) anwendbar.
Zwar werden beim bekannten Plasma-CVD-Verfahren bereits sehr viele Schichten abgeschieden
und das Brechungsindexprofil dadurch recht gut angenähert, jedoch verspricht auch
hier die beschriebene Abstufung der Schichtdicken noch eine merkliche Verbesserung.
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Die Fig. 3 zeigt den Grobaufbau einer CVD-Anlage zur Durchführung
der Innenbeschichtung von Glas rohren. In die bekannte Glasbläserdrehbank 1 ist
das Substratrohr 2, meistens ein Glas rohr aus geschmolzenem Kies e lg las, dessen
Innenwand zu beschichten ist, eingespannt und läßt sich um seine Längsachse dr-ehen,
indem die beiden nicht gezeigten Bohrfutter synchron rotieren. Das Gas-Dampf-Gemisch,
das in das eine Rohrende eingeleitet und dort zur Reaktion gebracht wird, liefert
eine CVD-Gasversorgung 4, und die Energie für die Reaktion liefert ein Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner
3, der von einer Brenner-Gasversorgung 5 gespeist wird. Der Brenner 3 wird mittels
einer von einem Motor 6 angetriebenen Spindel 7 an der Längsseite des Rohres entlang
bewegt, so daß er im Rohr eine wandernde Reaktionszone erzeugt. Wie bereits erwähnt,
kann statt des Brenners 3 auch eine plasma erzeug ende Vorrichtung, beispielsweise
ein Mikrowellen-Hohlraumresonator vorgesehen sein.
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Gemäß der Erfindung wird die Abscheidung der Schichten im Rohr 2 derart
gesteuert, daß die Dicken der nacheinder Jbgeschidcen Schichten von Schicht zu von
Schicht zu Schicht in bestimmter Weise abzunehmen. Diese Steuerung kann entweder
dadurch
geschehen, daß di e 8 r die Brennvorschubgeschwindigkeit von einem Durchgang zum
nächsten bei konstant gehaltener Durchflußgeschwindigkeit der Reaktionsgase erhöht
wird, oder daß die Durchflußgeschwindigkeit der Reaktionsgase, d. h. die Menge des
pro Zeiteinheit abgeschiedenen Materiales, von einem Durchgang des Brenners zum
nächsten bei konstant gehaltener Brennervorschubgeschwindigkeit erniedrigt wird,
oder daß beide Maßnahmen kombiniert werden. In jedem Falle muß, wie bereits erwähnt,
die Dotierungskonzentration der veränderten Schichtdicke angepaßt werden. Bei veränderter
Brennervorschubgeschwindigkeit oCer bei veränderter Durchflußgeschwindigkeit der
Reaktionsgase wird auch die Temperatur in der Reaktionszone entsprechend gesteuert
werden müssen. Die Steuerung der Durchflußgeschwindigkeit der Reaktionsgase, deren
Dotierungskonzentration, der Brennervorschubgeschwindigkeit und der Temperatur in
der Reaktionszone besorgt eine Steuerungseinheit 8, welche die CVD-Gasversorgung
4, die Drehzahl des Motors 6, und die Brenner-Gasversorgung 5, bzw. bei einer plasmaerzeug2nden
Vorrichtung deren Mikrowellenenergie und gegebenenfalls eine neben der plasmaerzeugenden
Vorrichtung vorhandene Heizvorrichtung steuert.
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Wie eingangs erwähnt, ist auch das Verfahren der Außenbeschichtung
eines zylindrischen Grundkörpers mit mehreren Schichten hinsichtlich der entstehenden
Schichtstruktur verbesserungsbedürftig. Zwar ist die beim Kollabieren stattfindende
geometrische Transformation der Schichtdicken weniger deutlich als beim Rohrinnenbeschichtungsverfahren,
da der Durchmesser des zylindrischen Grundkörpers meistens kleiner als der Innendurchmesser
des Blasrohres vor der Innenbeschichtung ist, jedoch scheint die Annahme, daß
durch
das Kollabieren des durch Außenbeschichtung eines zylindrischen Grundkörpers erhaltenen
Schichtkörpers keine Störung des Brechungsindexprofils entsteht, eine zu starke
Vereinfachung zu sein.
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Daher werden auch beim Außenbeschichtungsverfahren die Schichtdicken
so gesteuert, daß die aufgebrachten Schichten.
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bei der Weiterverarbeitung des Schichtkörpers zum Glasfaserlichtleiter
in Schichten gleicher Dicke übergehen.
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Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Abstufung der Schichtdicken
nach Fig. 1 und Fig. 2 gilt also entsprechend auch für die Außenbeschichtung, Quantitativ
läßt sich die Abstufung der Schichtdicken wie folgt angeben: Der Außenradius r n
der n-ten Schicht, d. h. der Außenradius des mit n Schichten beschichteten Grundkörpers
beträgt:
Dabei ist A der Durchmesser des unbeschichteten zylindrischen Grundkörpers, B die
Gesamtdicke der aufgebrachten Schichten, Z die Gesamtzahl der aufgebrachten Schichten
und
der(fiktive)Radius des Kerns, der durch Kollabieren des aus Z Schichten bestehenden
hohlen Schichtkörpers entsteht.
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Dabei ist es gleichgültig, ob bei der Weiterverarbeitung des Schichtkörpers
zunächst durch Kollabieren eine massive stabförmige Faservorform hergestellt wird
oder der hohle Schichtkörper direkt zur Faser ausgezogen wird. Letzteres ist wegen
des kLeineren Innendurchmessers des durch Außenbeschichtung entstehenden hohlen
Schichtkörpers, verglichen mit einem innenbeschichteten Rohr, durchaus denkbar.
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Der Vorteil der abgestuften Schichtdicken ist unabhängig davon, ob
das Kollabieren des Hohlraums in einem eigentlichen Kollabier-Zwischenschritt oder
beim Ziehen zur Faser stattfildet.
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Die Steuerung der Schichtdicken bei der Außenbeschichtung geschieht
nun im wesentlichen wie oben für die Innenbeschichtung beschrieben, mit dem Unterschied,
daß die chemische Realtion in einer Flamme stattfindet, die an der Außenseite des
zu beschichtenden rotierenden Grundkörpers entlaig bewegt wird. Auch hierbei wird
entweder die Durchflußgeschwindigkeit der Reaktionsgase, d. h. die Menge des pro
Zeiteinheit abgeschiedenen Materials oder die BeschichtungsJauer, d. h. die Vorschubgeschwindigkeit
des Flammhydrolysebrenners von Schicht zu Schicht geändert (oder beides). Gegebenenfalls
wird auch die Brennertemperatur und der Abstand des Brenners vom Ort der Beschichtung
den geänderten übrigen Bedingungen angepaßt.