DE3240355C1 - Verfahren zur Herstellung eines laenglichen Glaskoerpers mit inhomogener Brechungsindexverteilung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines länglichen Glaskörpers, insbesondere auf der Basis von S1O2, mit inhomogener Brechungsindexverteilung. Solche Glaskörper können als sog. Preform für die Herstellung von optischen Fasern verwendet werden, welche für die Nachrichtenübertragung, vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich oder im kurzwelligen

Infrarotwellenlängenbereich geeignet sind. Daneben können solche Körper auch verwendet werden, um hieraus Glasstäbe oder Glasscheiben herzustellen, welche linsenähnliche Eigenschaften besitzen.

Die für die Nachrichtenübertragung benutzten optischen Fasern stellen ein fadenförmiges Gebilde dar, welches üblicherweise aus einem für die zur Übertragung verwendete Strahlung durchlässigen Glas herge-' stellt wird. Im Querschnitt der Faser ist der Brechungsindex von unterschiedlicher Größe, und zwar ist er im Bereich der Faserlängsachse höher als im Randbereich. Bei den sog. Monomode-Fasern und bei den sog. Stufenindex-Fasern ist der Übergang des Brechungsindex zwischen dem Achs- bzw. Kernbereich und dem Rand abrupt. Optische Wellen, welche sich im Kernbereich der Faser fortpflanzen, werden an der Grenzfläche dieses abrupten Überganges unter Totalreflexion weitergeleitet. Bei den sog. Multimode-Fasern nimmt der Brechungsindex vom Kern zum Mantelbereich allmählich ab, und zwar vorzugsweise in einer Potenzfunktion. In diesem Fall werden Wellen, die sich nicht parallel zur Achse der Faser ausbreiten, allmählich durch eine Art Linsenwirkung wieder zur Achse zurückgeführt, so daß auch bei diesem Fasertyp im Achsbereich laufende Wellen dort gefangen bleiben.

Bei den erwähnten optischen Körpern mit linsenähnlichen Eigenschaften wird ebenfalls, über den Querschnitt gesehen, ein allmählicher Abfall des Brechungsindex von dem Zentrum des Körpers zum Rand vorgeschrieben, und zwar wiederum vorzugsweise in Form einer Potenzfunktion. Beim Durchgang durch die scheibenförmigen Elemente werden Lichtstrahlen allmählich abgelenkt, und zwar derart, daß sich eine planparallele Glasplatte in ihrer optischen Wirkung wie eine Linse verhält.

In beiden Anwendungen, insbesondere aber bei der Anwendung für die Nachrichtenübertragung, werden hohe Anforderungen an die'Genauigkeit der Fasern gestellt. Die Absorption und Streuung der optischen Strahlung muß auf ein Minimum reduziert werden. Deshalb muß bei der Herstellung der Faser auf äußerste Reinheit geachtet werden, da verbleibende Absorption überwiegend durch die Anwesenheit von Fremdstoffen beim Herstellen bedingt ist. Außerdem muß die Verteilung des Brechungsindex innerhalb enger Grenzen der vorgegebenen Form folgen. Die gewünschten Eigenschaften lassen sich z. B. durch die Verwendung von höchstreinem Quarzglas (S1O2) als Grundmaterial erreichen, dem zur Veränderung des Brechungsindex andere Materialien, wie beispielsweise T1O2, GeO2, F, B2O3, P2O5 zugesetzt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zur Erreichung gewünschter Eigenschaften mehr als nur ein Dotierungsmaterial zu verwenden. Dadurch kann z. B. die durch ein Dotierungsmittel bedingte innere Spannung auf ein erwünschtes Maß eingestellt werden. Es hat sich auch gezeigt, daß die nutzbare Signal-Bandbreite der Fasern in hohem Maß durch den genauen Verlauf der Brechungsindexverteilung beeinflußt werden kann. Hierfür kann es von Vorteil sein, vom Verlauf des Brechungsindex nach einer Potenzfunktion abweichende Verteilungen zu verwenden. Praktisch bewährt hat sich z. B. eine der Potenzfunktion im Randbereich des Kerns überlagerte Stufe.

' Bei den bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise in der DE-PS 27 15 333 oder der DE-OS 23 13 203 veröffentlicht sind, ist es in einfacher Weise nur möglich, zylindersymmetrische Profile des Brechungsindex zu erzeugen, was zu Fasern mit kreisförmigem Kernquerschnitt bei kreisförmigem Faserquerschnitt führt. Obwohl solche Fasern für die Nachrichtenübertragung geeignet sind, weisen sie doch bestimmte Nachteile auf, z. B. haben sie keine Bevorzugung für eine bestimmte Polarisationsrichtung der in ihnen übertragenen Strahlung, die auf der Wellenleiternatur der optischen Faser beruht. Die Bevorzugung bestimmter Polarisationsrichtungen entsteht dann durch zufällige Spannungsverteilungen in der Faser, welche sich im praktischen Betrieb infolge äußerer Einflüsse, wie akustischer oder mechanischer Störungen, kurzfristig und in sehr hohem Maße ändern.

Es ist auch erwünscht, Fasern mit Mehrfachkernen herzustellen, so daß in einer einzigen Faser mehrere Übertragungskanäle verlaufen können. Solche Fasern konnten bisher nur mit Materialien, wie niedrig schmelzenden Gläsern, und Verfahren, wie dem Mehrfach-Tiegelverfahren, hergestellt werden, welche nicht zu den für die Nachrichtenübertragung notwendigen geringen Dämpfungen führen.

Die Herstellung von optischen Fasern geschieht normalerweise so, daß zunächst ein länglicher Glaskörper mit einer Verteilung des Brechungsindex hergestellt wird, die ähnlich ist, wie sie in der späteren optischen Faser sein soll. Dieser längliche Glaskörper wird dann bei hoher Temperatur zu einer Faser ausgezogen, wobei, infolge der hohen Viskosität des Materials während des Ziehprozesses, die radialen Verteilungsverhältnisse ähnlich übertragen werden.

Es ist allgemein bekannt, daß für hochwertige nachrichtentechnische Zwecke Quarzglas als Grundmaterial verwendet wird. Es ist auch bekannt, daß mit anderen Materialien theoretisch noch höhere Bandbreiten und noch geringere Dämpfungen erreicht werden können. Hierzu zählt z. B. ein Gemisch von Germanium-Oxid und Antimon-Oxid oder eine ganze Reihe von bekannten Fluorid-Gläsern. Auch mit verschiedenen Kristallen, Kunststoffen und Glas-Arten lassen sich optische Fasern mehr oder weniger hoher Dämpfung herstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll für die Verwendung aller dieser Materialien in gleicher Weise geeignet sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Herstellung von länglichen Glaskörpern, insbesondere auf der Basis von S1O2, als Vorformen (Preforms) für optische Fasern oder für auf Variation des Brechungsindex beruhende optische Bauteile anzugeben, das eine große Freiheit in der Gestaltung des geometrischen Aufbaus gibt, das unabhängig von den speziellen Eigenschaften des glasbildenden oder glasigen Stoffes ist, bei dem Hochtemperaturpozesse auf ein Minimum begrenzt werden und bei dem große Preforms in einem nahezu kontinuierlichen Verfahren mit geringen Herstellkosten erzeugt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 und den Unteransprüchen angegebenen Verfahrensschritte erreicht.

Das Verfahren besitzt den Vorteil, daß der Aufbau der geometrischen Verteilung der die optischen Eigenschaften bestimmenden Stoffe durch gesteuerte Schüttung von Körnern dieser Stoffe geschieht. Es ist auf diese Weise möglich, jede beliebige räumliche Verteilung der gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen. Der so gebildete Schüttkörper wird vorzugsweise während seines Aufbaus formstabilisiert, so daß sich die geometrische Verteilung der die späteren

optischen Eigenschaften bestimmenden Körner während des Aufbaus nicht ändert. In einem nachfolgenden Prozeß wird aus diesem Schüttkörper durch Erwärmung ein durchsichtiger Glaskörper gebildet, wobei die geometrische Verteilung infolge der hohen Viskosität während des Verglasungsprozesses gegenüber der Verteilung im aufgeschütteten Zustand proportional verkleinert wird. Es kann vorteilhaft sein, den formstabilisierten Schüttkörper vor der Bildung des Glaskörpers durch Pressen in einen porösen, in sich stabilen Festkörper zu überführen. Weiterhin ist von Vorteil, den formstabilisierten Schüttkörper oder auch den porösen Festkörper wenigstens einer chemischen Behandlung zu unterziehen. Hierdurch können unerwünschte Stoffe aus dem für Gase völlig durchlässigen porösen Körper entfernt werden, wie z. B. H2O. Es können auch metallische Verunreinigungen reduziert werden, und es ist möglich, erwünschte Stoffe, wie z. B. Wasserstoff oder Helium, in das Material einzubauen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zunächst Ausgangsstoffe hergestellt, die in verglaster Form einen homogenen, aber für die verschiedenen Stoffe unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Diese Stoffe werden entweder bereits direkt in der zur Verwendung gelangenden feinkörnigen Form erzeugt, oder es wird zunächst ein Formkörper erzeugt, aus dem durch Mahlen die Körner erzeugt werden.

Für die Herstellung von Preforms auf der Basis von Quarzglas hat sich folgendes Verfahren besonders bewährt:

Durch pyrolytische Zersetzung von SiCU wird S1O2 in feinkörniger Form hergestellt. Diese feinen SiC>2-Partikel werden aufgefangen und in dieser Form verwendet.

Bewährt hat sich auch das Verfahren, die durch pyrolytische Zersetzung hergestellten SiCVPartikel auf einem rotierenden Träger axial oder radial zu einem Stab aufwachsen zu lassen. Dieser Stab wird anschließend nach Entfernen des Trägers in einer Schwingmühle zu Körnern zerkleinert.

Zur Durchführung der Erfindung werden nun einerseits solche Körner verwendet, welche aus reinstem S1O2 bestehen und andererseits solche Körner, welche außer S1O2 noch ein oder mehrere Dotierungsmittel, wie GeC>2, T1O2, Fluor oder dergleichen, in mindestens der höchsten in dem Glaskörper zu erzielenden Konzentration enthalten. Diese beiden in ihrer Materialzusammensetzung unterschiedlichen Körnungen werden in getrennten Vorratsbehältern aufbewahrt. Den Vorratsbehältern werden die Körnungen der verschiedenen Stoffe über steuerbare Ventile mit so definierter Zuführrate entnommen und auf eine Unterlage aufgeschüttet. Die Schüttung erfolgt dabei so, daß sich eine vorgegebene Verteilung der Körner verschiedener Materialzusammensetzung ergibt. Damit ist die nach dem nachfolgenden Verglasen erzielte Brechungsindexverteilung bereits in dem Schüttkörper latent festgelegt.

Während der Schüttung wird der in sich lose Schüttkörper formstabilisiert. Bewährt hat sich hierfür ein den Schüttkörper umfangendes Quarzglasrohr als so Stützkörper.

Nach Bildung des Schüttkörpers kann dieser gasdurchlässige Körper einer chemischen Behandlung, vorzugsweise in einer Gasatmosphäre, unterzogen werden. Für die Entfernung von störenden OH-Ionen hat sich beispielsweise eine Chlorierung über 2 Stunden bei 800° C bewährt, wobei der Schüttkörper einen Durchmesser von 60 mm aufweist.

Zur inneren Verfestigung des Schüttkörpers ist es vorteilhaft, ihn soweit zu pressen, daß er auch ohne zusätzliche Stützmaßnahmen formstabil ist. Diese Verfestigung hat den weiteren Vorteil, daß die Dichte des Körpers gegenüber dem reinen Schüttkörper erhöht wird, so daß die spätere Volumensänderung bei Bildung des Glaskörpers geringer wird. Im Beispiel der Körner auf Quarzglasbasis, die pyrolytisch hergestellt werden, hat sich isostatisches Pressen bei einem Druck größer als 500 bar, vorzugsweise größer als 2000 bar, bewährt. Der entstehende poröse Festkörper ist ohne weiteres handhabbar, jedoch weiterhin für Gase völlig durchlässig. Er kann ggf. in diesem Zustand weiteren chemischen Behandlungen in gasförmiger Atmosphäre unterzogen werden.

Der feinporige Festkörper wird nun anschließend in einen dichten Glaskörper überführt. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, daß der längliche feinporige Festkörper langsam durch einen ringförmigen, ihn umschließenden Ofen hindurchgezogen wird. Bei der Verglasung entsteht eine Volumenkontraktion, welche jedoch keinen Einfluß auf die räumliche Verteilung der den Brechungsindex bestimmenden Bestandteile hat. Gegebenenfalls kann der Verglasungsprozeß auch direkt mit dem formstabilisierten Schüttkörper durchgeführt werden.

Es ist evident, daß die spezielle Natur der Ausgangsmaterialien für die Durchführung des Verfahrens nicht bestimmend ist. Im Beispiel des Quarzglases ist es z. B. auch möglich, mit Körnern zu arbeiten, die aus Bergkristall oder aus hochreinem Quarzsand durch Mahlen hergestellt worden sind. Es ist auch möglich, Körner zu verwenden, die durch Mahlen von vorgeschmolzenem Quarzglas erzeugt werden. In diesem Fall wird zwar nicht ohne weiteres die hohe Reinheit des Materials erzeugt, wie bei dem oben beschriebenen Verfahren der pyrolytischen Zersetzung, die so entstehenden Festkörper haben jedoch z. B. eine ausreichende Qualität für die Erzeugung von optischen Bauelementen mit linsenartiger Wirkung.

Es ist auch evident, daß das beschriebene Verfahren für andere Materialien als für Quarzglas eingesetzt werden kann, soweit diese Materialien feinkörnig hergestellt und durch einen Verglasungsprozeß zu einem Festkörper zusammengefügt werden können.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt in der beliebigen Gestaltbarkeit der geometrischen Verteilung der Körner und damit der geometrischen Verteilung des Brechungsindex des aus dem Schüttkörper entstehenden Glaskörpers. Das Verfahren ist nicht auf die Herstellung von zylindrischen Fasern mit zylindrischen Kernen beschränkt.

In Fig. IA und IB sind Schüttkörper perspektivisch dargestellt, wobei mit 10 die Schüttung im achsnahen Bereich und mit 16 die die Schüttung 10 umhüllende Schüttung bezeichnet sind. Die Schüttung 10 besitzt in Fig. IA einen rechteckigen, in Fig. IB einen kreisförmigen Querschnitt.

Eine zur Herstellung der Schüttkörper nach Fig. IA und IB geeignete Anordnung ist in Fig.3 dargestellt. Fig.3 ist eine schematische Darstellung für eine Anordnung, in der das Verfahren zum Aufbau von Preforms mit stufenhafter Verteilung des Brechungsindex führt. Auf einer Unterlage 1 ist ein zylindrisches Quarzrohr 2 als Stützkörper für die Schüttung 10/16 angeordnet.

In dem Quarzrohr 2 befindet sich zentrisch ein weiteres Quarzrohr 3, das über ein Gestänge 4 mit

steuerbarem Antrieb 5 axial hochgehoben werden kann. In einem Vorratsbehälter 7 befinden sich Körner eines Stoffes 8, der nach der Verglasung den erwünschten Brechungsindex für den Kern einer Stufenprofilfaser hat. In einem Vorratsbehälter 11 befinden sich Körner eines Stoffes 12, der nach der Verglasung den erwünschten Brechungsindex für den Mantel einer Stufenprofilfaser hat. Über ein Zuführungsrohr 17' werden Körner 8 in das Quarzrohr 3 überführt und bilden auf der Unterlage 1 die Schüttung 10. Körner 12 werden über ein Zuführungsrohr 17" und eine ringförmige Verteilanlage 14, die in der Figur schematisch als ein Mehrfachtrichter dargestellt ist, welcher mittels eines von dem Motor 15 angetriebenen Riemens 18 um die Zylinderachse 19 gedreht wird, mit gleichmäßiger Verteilung in das Quarzrohr 2 geschüttet, so daß sich auf der Unterlage 1 die Schüttung 16 aufbaut. Solange das Quarzrohr 3 bis auf den Boden der Unterlage 1 abgesenkt ist, sind die Schüttungen 10 und 16 völlig voneinander getrennt und bauen sich jeweils aus den Stoffen 8 und 12 auf. Mit der Höhenzunahme der Schüttung wird nun das Quarzrohr 3 angehoben, so daß die Schüttungen 10 und 16 dicht aneinander zu liegen kommen. Es gelingt auf diese Weise, mit geringem apparativem Aufwand und unter hoher Zuführungsrate ein Stufenprofil aufzubauen. An der Grenzfläche zwischen den Schüttungen 10 und 16 wird beim Hochheben des Quarzrohres 3 eine gewisse Durchmengung stattfinden.

Dies kann dadurch auf ein zulässiges Maß begrenzt werden, daß das Quarzrohr 3 an seinem unteren Ende fein ausläuft und daß das Hochziehen des Rohres 3 gleichlaufend mit dem Anwachsen der Schüttungen 10 und 16 erfolgt. Um dies zu erreichen, sind die Antriebe für die verschiedenen Steuermechanismen der Anordnung über eine gemeinsame Steuereinheit 6 programmmäßig verknüpft. Unterstützt wird die Gleichmäßigkeit der Schüttung außerdem, wenn während des Schüttvorgangs auf den Schüttkörper periodische mechanische Kräfte in Form von akustischen Stoßen oder Schwingungen auswirken. Zu diesem Zweck kann die Unterlage 1 durch einen akustischen Schwinger oder durch ein Klopfwerk angeregt werden. Die Abgabemenge der Körner 8,12 aus dem Vorratsbehältern 7,11 wird mittels der Ventile 9,13 gesteuert.

Es ist einleuchtend, daß in der Anordnung der F i g. 3 neben zylindersymmetrischen Schüttungen auch solche mit anderen geometrischen Verteilungen erzeugt werden können. So ist z. B. durch Auswechseln des Quarzrohres 3 mit kreisförmigem Querschnitt gegen ein Rohr mit rechteckigem Querschnitt der Schüttkörper mit rechteckigem Kern, wie in Fig. IA dargestellt, herstellbar. Es können mit der Anordnung nach F i g. 3 auch Schüttkörper mit Mehrfachkernen hergestellt werden, wie sie in Fig.2 dargestellt sind. Zu diesem Zweck werden mehrere Quarzrohre 3 gleichzeitig innerhalb des Quarzrohres 2 angeordnet. Die Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der geometrischen Ausbildung des Schüttkörpers, insbesondere des Querschnitts, hat den Vorteil, daß definierte Verhältnisse der Polarisation in Fasern mit ovalem oder besser noch mit rechteckigem Querschnitt erzielbar sind. Dabei kann der Umfang des Schüttkörpers rechteckig gewählt werden, so daß die Lage der Polarisationsebene geometrisch wohl definiert ist. Nach bekannten Verfahren ist solches nicht ohne weiteres erzielbar.

Charakteristisch für die mit der Anordnung nach Fig.3 herstellbaren Schüttkörper ist, daß sich in bestimmten Teilbereichen des Querschnitts nur jeweils Körner des einen Stoffes befinden. Damit lassen sich Stufenindexprofile herstellen, jedoch keine Profile mit stetig sich änderndem Brechungsindex, sogenannte Gradientenprofile. Zur Herstellung von Schüttkörpern mit Gradientenprofilen ist eine Anordnung nach F i g. 4 geeignet.

Diese schematische Darstellung zeigt eine Anordnung für die Herstellung von Schüttkörpern mit zylindersymmetrischem Aufbau; sie eignet sich jedoch auch für die Herstellung von Schüttkörpern mit beliebigem Querschnitt. Eine Unterlage 1 wird durch einen Motorantrieb 20 in Rotation versetzt. In einem Vorratsbehälter 7 befinden sich Körner eines Stoffes 8, in einem Vorratsbehälter 11 Körner eines anderen Stoffes 12. Über steuerbare Ventile 9 und 13 werden Körner 8 und 12 über Schläuche 21, 22 in eine gemeinsame Zuführung 23 unter Durchmischung eingebracht. Ein Schüttrüssel 24 wird über einen mechanischen Antrieb 25 mit Hilfe einer Steuerung 27 für den Motor 26 in horizontaler Richtung programmgesteuert bewegt. Die aus dem offenen Ende des Schüttrüssels 24 austretenden Körner bilden auf der Unterlage 1 eine nahezu punktförmige Schüttüng. Dieser Vorgang ist im Detail in F i g. 5 gezeigt. Bei der Rotation der Unterlage 1 und der Horizontalbewegung des Schüttrüssels 24, wie durch Pfeil 37 angedeutet, bildet sich eine schichtweise Aufschüttung. Die Schüttrüsselbewegung wird dabei so gesteuert, daß bei nahezu konstanter Schüttrate die Schütthöhe im Querschnitt des Schüttkörpers konstant ist. Der Schüttkörper wird also nahezu punktförmig schichtweise aufgebaut. Während des einmaligen Durchgangs des Schüttrüssels 24 kann die Zusammensetzung der jeweiligen aufgehäuften Körnerschicht willkürlich in vorgegebener Weise durch Steuerung der Ventile 9/13 geändert werden, und es ist damit möglich, jede gewünschte Verteilung, bei der Körner beider Stoffarten im gleichen Raumelement abgelagert werden, herzustellen.· Damit eignet sich die in Fig.4 dargestellte Anordnung zur Herstellung von Gradientenpreforms.

In F i g. 4 ist eine zusätzliche Anordnung zur Stabilisierung des Schüttkörpers während seines Aufbaus dargestellt. Die Unterlage 1 wird während des Schüttvorgangs kontinuierlich abgesenkt, so daß das offene Ende des Schüttrüssels 24 sich immer in gleicher Höhe über der Oberfläche des Schüttkörpers befindet. Von einer Vorratsrolle 34 wird ein Band 31 abgewickelt,

so das sich kontinuierlich um den Schüttkörper legt und diesen beim Hochwachsen an seinem Außenumfang formstabilisiert. Die Steuerung der Zuführraten über die Ventile 9/13, die Horizontalbewegung des Schüttrüssels 24 über den Antrieb 25/26, die Rotation der Unterlage 1 über den Antrieb 20, ihre Absenkung und die Umwicklung mit dem Stützband wird über eine gemeinsame Ablaufsteuerung 27 vorgenommen.

Durch Verwendung einer rechnergesteuerten Ablaufsteuerung 27 ist es ohne weiteres möglich, z. B. die Zeitverzögerung der Mischung der Bestandteile 8 und 12 gegenüber dem Schüttvorgang selbst zu berücksichtigen. Es ist auch möglich, damit beliebige Brechungsindex-Profilformen in einfacher Weise vorzugeben. Grundsätzlich können durch entsprechende Programms, mierung der Steuerglieder mit der Anordnung nach ' F i g. 4 beliebige Querschnittsverteilungen der Körner im Schüttkörper hergestellt werden, also z. B. auch Mehrfachkerne, wie nach F i g. 2.

Bei komplexen Querschnittsverteilungen ist es jedoch vorteilhafter, den Schüttvorgang auf einem ruhenden Tisch vorzunehmen und den Schüttrüssel in einer zweidimensionalen Vorschubvorrichtung über dem Querschnitt des Schüttkörpers zu bewegen.

In Fig.5 ist der Schüttvorgang selbst im Detail dargestellt. Der an seinem Umfang formstabilisierte Schüttkörper 32 mit einer Oberfläche 33 rotiert um eine Achse 35. Der Schüttquerschnitt des Schüttrüssels 24 ist sehr klein gegen den Querschnitt des Schüttkörpers 32. Bei horizontaler Bewegung in Pfeilrichtung 37 schüttet er spiralförmig eine Schicht auf. Damit die Schichthöhe bei jedem Durchgang konstant ist, muß die Horizontalgeschwindigkeit ortsabhängig an die Schüttrate angepaßt werden. Der Dotierungsverlauf ist durch die momentane Zusammensetzung der Körner aus den Stoffen 8 und 12 festgelegt.

Die Formstabilisierung des Schüttkörpers während seines Aufbaus ist in vielfältiger Weise möglich. In den F i g. 3 und 4 wurden zwei vorzugsweise Ausführungsformen dargestellt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, den Schüttkörper an seinem Umfang während des Aufbaus zu verfestigen Dies gelingt durch lokale Erwärmung mit einer Flamme oder in besonders definierter Weise mit einem fokussierten Laserstrahl. Bei ausreichender lokaler Erwärmung verglasen Körner im Randbereich und kleben punktuell zusammen. Damit entsteht eine stützende glasige Schale, ohne daß die Gasdurchlässigkeit des gesamten Schüttkörpers in sich beeinträchtigt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Formstabilisierung besteht darin, die Mantelfläche des Schüttkörpers mit einem Klebstoff zu besprühen, der schnell erhärtet und im Außenmantelbereich eine in sich tragende Stützschicht ergibt. Dabei ist vorzugsweise ein solcher Klebstoff zu wählen, der bei den späteren Hochtemperaturprozessen rückstandslos zersetzt wird. Geeignet hierfür sind organische Kleber, wie beispielsweise Epoxidharze oder Kleber auf der Basis eines thermoplastischen Kunststoffes.

Eine weitere Möglichkeit zur Formstabilisierung besteht darin, den gesamten Schüttkörper während des Schüttvorgangs in sich zu stabilisieren. Dies gelingt durch lokale Erhitzung mit einer Flamme, besser mit einem Laserstrahl in der Art, daß die einzelnen Körner an der Oberfläche anglasen und punktförmig miteinander verbunden werden, ohne daß die Durchlässigkeit des Gesamtkörpers für Gase nennenswert beeinträchtigt wird.

Eine weitere vorteilhafte Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig.7 dargestellt. Auf einer Unterlage 1, die durch einen Antrieb 20 in rasche Rotation versetzt wird, befindet sich als Stützkörper ein Rohr 2. Über einen in zwei Koordinatenrichtungen durch Antrieb 44/45 steuerbaren Schüttrüssel 24 wird vorgemischte Körnung 47 in einem steuerbaren Mischungsverhältnis zugeführt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Drehtisches wird so hoch gewählt, daß am Innenumfang des Rohres 2 abgelagerte Körner infolge der Zentrifugalkraft örtlich fixiert bleiben. Der Schüttkörper wird schichtweise durch Auf- und Abbewegung des Schüttrüssels 24 aufgebaut.

Der Bereich direkt um die Rotationsachse, wo die Zentrifugalkraft klein wird, wird dabei im Falle einer Gradientenpreform mit einem inneren Stützrohr abgegrenzt, das nach Überführung des Schüttkörpers in einen porösen Festkörper entfernt wird. Der verbleibende Hohlraum kollabiert bei Bildung eines Glaskörpers aus dem porösen Festkörper.

In analoger Weise kann zur Herstellung einer

Stufenprofil-Preform ein Rohr oder ein Stab aus hochreinem Quarzglas als innerer Stützkörper eingesetzt werden. In diesem Fall wird der Stützkörper bei Bildung des Glaskörpers nicht entfernt.

Mit der Anordnung nach F i g. 7 läßt sich eine besonders hohe Schüttrate erreichen, da sich das Stoffverhältnis der Körner während der Schüttung nur sehr langsam ändert, weil bei der Bewegung des Schüttrüssels 24 in Richtung der Achse des zu bildenden Schüttkörpers das Stoffverhältnis konstant bleibt und sich in radialer Richtung nur in sehr kleinen Stufen ändert.

Nach dem Schüttvorgang ist es von Vorteil, die Form des Schüttkörpers zu stabilisieren und danach zu einem porösen Festkörper zu verdichten. Besonders geeignet für die Verdichtung ist das isostatische Pressen. In dem weiter obengenannten Beispiel, wo Quarzglas in Form von durch pyrolytische Zersetzung erzeugten Glasteilchen verwendet wird, hat sich gezeigt, daß durch isostatisches Pressen des formstabilisierten Schüttkörpers bei einem Druck von mehr als 2000 Bar ein in sich stabiler feinporiger Festkörper entsteht, der ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen handhabbar ist.

Sowohl der formstabilisierte Schüttkörper als auch der poröse Festkörper sind gasdurchlässig und können deshalb durch chemische Behandlung mit gasförmigen Stoffen in ihren Eigenschaften verändert werden. Eine praktisch wichtige chemische Behandlung ist im Falle des Quarzglases eine Behandlung zur Reduzierung des OH-Gehaltes, da OH-Ionen im infraroten Spektralbereich die Transmission der optischen Faser begrenzen. Zu diesem Zweck hat es sich bewährt, den porösen Festkörper oder formstabilisierten Schüttkörper in einem geschlossenen Gefäß bei Temperaturen von 600 bis 900⁰C ein bis fünf Stunden, je nach Größe des Schüttkörpers und je nach gewünschtem OH-Gehalt des Glaskörpers einer Atmosphäre von Chlorgas bzw. Helium-Chlorgasgemisch auszusetzen. Damit ist es möglich, einen anfänglichen OH-Gehalt von ca. 200 ppm auf < 0,1 ppm zu senken. Bei der Bildung des Glaskörpers aus dem feinporigen Festkörper oder dem formstabilisierten Schüttkörper müssen die in diesen Ausgangskörpern vorhandenen Gase so weit entweichen können, daß sich eine blasenfreie Glasmasse bilden kann. Dies kann durch ein Zonenschmelzen erreicht werden. Erleichtert wird das blasenfreie Erschmelzen dadurch, daß vor dem Verglasungsschritt eine weitgehende Entgasung des feinporigen Festkörpers oder des formstabilisierten Schüttkörpers stattfindet. Zu diesem Zweck hat sich eine Temperung dieser Körper im Vakuum bei Temperaturen von 100 bis 400° C bewährt. Die Dauer dieser Temperung wird durch die Größe der Körper und die Güte des Vakuums bestimmt. Es hat sich außerdem bewährt, im Anschluß an die Entgasung den porösen Festkörper oder formstabilisierten Schüttkörper mit Helium oder Wasserstoff zu sättigen, da der Gasinhalt von Blasen, die eventuell beim Verglasen durch die Anwesenheit von Restspuren dieser Gase entstehen, durch eine thermische Nachbehandlung der Glaskörper zum Ausdiffundieren gebracht werden kann.

Zur Verglasung wird der formstabilisierte Schüttkörper oder der feinporige Festkörper durch einen Ringofen, wie er in F i g. 6 schematisch dargestellt ist, bewegt (Pfeilrichtung 64). Dabei kontrahiert der Durchmesser des Körpers, ohne daß sich die relative

Verteilung der glasbildenden Stoffe ändert. Zwischen dem porösen Körper 6t und dem glasigen Körper 63 bildet sich dabei eine Erweichungsfront aus, die möglichst wohldefiniert sein soll, damit gasförmige Einschlüsse entweichen können. Durch einen Ringofen 62 wird diese Forderung erfüllt. Im Beispiel eines Glaskörpers aus Quarzglas beträgt die Vergläsungstemperaturl500bisl750°C.

Der Glaskörper 63 kann nach dem Erschmelzen eventuell noch einzelne kleine Blasen und/oder Vakuolen aufweisen. Soweit durch eine geeignete Vorbehandlung, wie vorgehend beschrieben, dafür gesorgt ist, daß solche eventuellen Blasen nur solche Gase enthalten, die durch den glasigen Körper bei höheren Temperaturen leicht diffundieren können (z. B. Helium, Wasserstoff für SiO2), kann das Gas aus diesen Blasen bei einer entsprechenden Wärmebehandlung leicht in den umgebenden Glaskörper diffundieren. Dadurch liegen im Glaskörper nach einer solchen Wärmebehandlung nur Vakuolen vor, die bei einer anschließenden Heißverformung des Glaskörpers (Ausziehen zu kleineren Durchmessern) ganz verschwinden.

Eine bewährte Alternative zum Verglasungsprozeß in einem Ringofen ist die Verglasung durch heiß-isostatisches Pressen. Da bei diesem Prozeß keine Möglichkeit für die in dem porösen Körper eingeschlossenen Gase besteht, aus dem Formkörper zu entweichen, muß dabei Sorge dafür getragen werden, daß sich nur solche Gase in dem porösen Körper befinden, die bei einer anschließenden Temperung durch den Glaskörper herausdiffundieren können.

Das erfindungsgemäße Verfahren selbst ist in hohem Maße unabhängig davon, wie groß die Körner bemessen werden. Aus praktischen Gründen ist es erforderlich, daß die zu schüttenden Körner rieselfähig sind. Dies kann jedoch über einen weiten Bereich der Korndurchmesser erreicht und z. B. durch Klopfen oder Beschallung unterstützt werden. Damit bei der Verglasung des Schüttkörpers keine störende Granulation in den optischen Eigenschaften verbleibt, wird die Korngröße für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich von 0,1 μπι bis 1 mm gewählt. Besonders bewährt haben sich Körner mit einer Verteilung des Durchmessers zwischen 0,1 μπι und 100 ^m.

Bei den bisher beschriebenen Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Verfahrens war es das Ziel, Preforms herzustellen, die später zu optischen Fasern führen, deren optische Eigenschaften über die gesamte Länge der Faser gleich sind. Für die Anwendung in nachrichtentechnischen Endgeräten und in Meßgeräten ist es darüber hinaus von Bedeutung, optische Bauelemente, speziell optische Fasern, zur Verfügung zu haben, deren optische Eigenschaften, d. h. deren Wellenleitungseigenschaften, sich innerhalb einer bestimmten Länge verändern. Ein praktisch wichtiges Beispiel sind Koppelglieder, welche aus zwei in einer Faser eng benachbarten Kernen bestehen, zwischen denen, wegen der engen Nachbarschaft, eine Überkopplung stattfindet, wobei mindestens eine Querabmessung eines Kerns sich längs der Faser vermindert, während die Abmessung des anderen Kerns längs der Faser zunimmt. Während Fasern oder allgemein optische Bauelemente mit Variation der Brechungsindexgeometrie in der Längsrichtung nach den bekannten Verfahren nur sehr schwer oder überhaupt nicht herstellbar sind, gelingt dies mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne besondere Schwierigkeiten. Hierzu ist lediglich die Programmsteuerung in Abhängigkeit von der Höhe der Aufschüttung vorzunehmen.

Die Fig.3 und 4 zeigen der Einfachheit halber Anordnungen, in denen die Körner dem Schüttkörper über einen oder wie in F i g. 3 über zwei Schüttvorrichtungen zugeführt werden. Es ist offensichtlich, daß mehr als eine oder zwei Schüttvorrichtungen gleichzeitig eingesetzt werden können. So kann z. B. in einer Anordnung ähnlich Fig.3 für die Herstellung von Mehrfachkernen anstatt eines inneren Überfangrohrs 3 eine Anzahl von innneren Überfangrohren verwendet werden, die gleich der Anzahl der aufzubauenden Kerne i§t. In Anordnungen ähnlich F i g. 4 kann es von Vorteil sein, zwei Schüttrüssel einzusetzen, von denen einer den Randbereich und der andere den Kernbereich des zu bildenden Schüttkörpers überdeckt. Da im Randbereich nur Körner einer Stoffzusammensetzung abgelagert werden müssen, die abzulagernde Menge jedoch sehr viel größer ist als im Kernbereich, kann dieser unkritische Vorgang mit einem Rüssel hoher Schüttrate vorgenommen werden. Es ist außerdem möglich, mehrere in ihrer Funktion identische Schüttrüssel parallel zu verschieben, um auf diese Weise eine höhere Schüttrate als mit einem einzigen Schüttrüssel allein zu erreichen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (22)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines längliehen Glaskörpers, insbesondere auf der Basis von S1O2, mit inhomogener Brechungsindexverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei in ihrer Materialzusammensetzung unterschiedliche glasbildende oder glasige Stoffe als Körner mit für die unterschiedlichen Stoffe vorgebbarer ungleicher flächenhafter Verteilung der Körner auf einer Unterlage zu einem Schüttkörper aufgehäuft werden, der Schüttkörper formstabilisiert und danach unter Erwärmung aus ihm ein Glaskörper gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Körner des einen Stoffes in wenigstens einem, im Querschnitt gegen den Querschnitt des Schüttkörpers nicht sehr kleinen Teilquerschnitt eingeschüttet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schüttkörper in wenigstens einem, im Querschnitt gegen den Gesamtquerschnitt des Schüttkörpers sehr kleinen Teilquerschnitt unter koordinatenhafter Steuerung schichtweise aufgebaut wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Körner der unterschiedlichen Stoffe vor der Aufhäufung gemischt und als Mischung vorgegebener Zusammensetzung zu dem Schüttkörper aufgehäuft werden, Vorzugsweise unter zeitlicher Steuerung des Mischungsverhältnisses.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Bereich des Schüttkörpers, vorzugsweise im achsnahen Bereich, überwiegend Körner der einen Zusammensetzung und in mindestens einem anderen Bereich, vorzugsweise im Randbereich, überwiegend Körner der anderen Zusammensetzung aufgeschüttet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Häufigkeit der Körner der einen Zusammensetzung in jeder Schicht des Schüttkörpers, vom Zentrum zum Rand der Schicht gesehen, stetig oder mindestens einmal sprunghaft verändert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Schicht des Schüttkörpers ein oder mehrere so kreisförmige oder ovale Bereiche gebildet werden, in denen die Häufigkeit von Körnern der einen Zusammensetzung überwiegt, die von einem Bereich umgeben werden, in dem die Häufigkeit der Körner der anderen Zusammensetzung überwiegt. ⁵^

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Schicht des Schüttkörpers ein oder mehrere rechteckige Bereiche gebildet werden, in denen die Häufigkeit der Körper der einen Zusammensetzung überwiegt, die von einem Bereich umgeben werden, in dem die Häufigkeit der Körner der anderen Zusammensetzung überwiegt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Häufigkeitsverteilung der Körner über die Höhe des Schüttkörpers variiert wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner innerhalb eines Stützkörpers aufgehäuft werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper während des Aufbaus des Schüttkörpers aus einem Band gewickelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützkörper ein Rohr verwendet wird, in das die Unterlage, auf der der Schüttkörper aufgehäuft wird, entsprechend der Wachstumsgeschwindigkeit der Höhe des Schüttkörpers abgesenkt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schüttkörper während seines Aufbaus durch Verfestigung seiner Mantelfläche mittels Erhitzen und/ oder durch Auftragen von erhärtenden Hilfsstoffen formstabilisiert wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich des Schüttkörpers während der Schüttung durch Rotationsfliehkraft an der Innenfläche des Stützkörpers gehalten wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an seinem Umfang formstabilisierte Schüttkörper vor der Bildung des Glaskörpers zu einem feinporigen Festkörper gepreßt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper nach Bildung des feinporigen Festkörpers entfernt wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der formstabilisierte Schünkörper und/oder der feinporige Festkörper wenigstens einer chemischen Behandlung unterworfen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die im wesentlichen aus H2, He und/oder Cb besteht.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Glaskörpers im Vakuum oder in einem Schutzgas erfolgt.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper durch heißisostatisches Pressen gebildet wird.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse formstabilisierte Schüttkörper oder der feinporige Festkörper zur Bildung des Glaskörpers durch einen ringförmigen Ofen geführt wird.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Körner mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 μηι bis 1 mm verwendet werden.