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Verfahren zur Erzeugung von Glasschichten aus der
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Gasphase, insbesondere für die Herstellung von Vorformen für optische
Glasfasern Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Glasschichten
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das insbesondere für die Herstellung
von Vorformen für optische Glasfasern geeignet ist.
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Ein bekanntes Verfahren der genannten Art ist beispielsweise das CVD-Verfahren,
unter das beispielsweise das MCVD-Verfahren, das OVD-Verfahren und das VAD-Verfahren,
fallen, die beispielsweise in der Veröffentlichung "Herstellungsverfahren und Ausführungsformen
von Lichtwellenleitern" von Dr. H. Schneider und Dr. G. Zeidler in Telcom Report
6 (1983), Beiheift "Nachrichtenübertragung mit Licht, Seiten 29 bis 35 näher beschrieben
sind. Danach werden beim MCVD-Verfahren Glaspartikel auf der Innenwand eines Glasrohres
abgeschieden, während sie beim OVD-Verfahren auf der Mantelfläche und beim VAD-Verfahren
auf der Stirnfläche eines Glasstabes abgeschieden werden: Bei der Herstellung von
Vorformen für Glasfasern wird bei den genannten CVD-Verfahren durch chemische Reaktion
von SiCl4 und °2 eventuell auch unter Beteilung von H2 unter Ausbildung einer Flamme
SiO2 erzeugt, das aus der Gasphase in Form von Partikeln auskondensiert (siehe dazu
genannte Literaturstelle). Diese Partikel, die auch mit GeO2, P205 und anderen Dotierstoffen
dotiert sein können, bilden ein Aerosol, von dem sich in einer Abscheidungszone
Partikel
auf der Innenwand des Rohres oder der Oberfläche des Stabes zur Bildung einer Glasschicht
abscheiden. Man erhält so eine poröse Schicht bzw. einen porösen Körper, der zum
klaren Glas durchgeschmolzen werden kann.
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Die Praktikabilität und die Wirschaftlichkeit eines derartigen Verfahrens
wird wesentlich durch die Effizienz der Abscheidung der Glaspartikel bestimmt, die
als das Verhältnis zwischen der Menge des abgeschiedenen Glases zur Menge des insgesamt
gebildeten Glases definiert ist. In der Regel liegt diese Effizient bei den bekannten
Verfahren um 50 %. Als Abscheidungsmechanismus wurde unter der Bedingung des MCVD-Verfahrens
die sog. Thermophorese identifiziert (siehe dazu P.G. Simpkins, S. Greenberg-Kosinski,
J.B. Mac Chesney: Thermophoresis: The mass transfer mechanism in modified chemical
vapor desposition, J. Appl. Phys. 50 (1979) Seiten 5676-5681).
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Darunter ist die Wanderung eines Partikels im Temperaturgradienten
zu verstehen. Sie wird verursacht durch Unterschiede in der kinetischen Energie
der Gasmoleküle zu beiden Seiten des Partikels, die zu einer Kraftwirkung auf das
Partikel in Richtung fallender Temperatur führen. In der Abscheidungszone des sich
um seine Längsachse drehenden Rohres fällt die Temperatur im durchströmenden Aerosol
von der Längsachse des Rohres radial zur Wand immer stärker ab. In einem Bereich
um die Längsachse des Rohres ist der Temperaturabfall in radialer Richtung zur Innenwand
des Rohres jedoch so verschwindend gering, daß auf achsennahe Teilchen praktisch
keine Kraftwirkung in radialer Richtung ausgeübt wird'und diese Teilchen somit den
Gasströmungslinien folgen und nicht abgeschieden werden.
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Maßnahmen zur Erhöhung des Temperaturabfalls in Richtung Substrat
führen zu einer Erhöhung der Abscheideeffizienz.
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Vorgeschlagen und erprobt wurden bisher: 1) Kühlung des Substratrohres
stromab von der Reaktionszone (siehe dazu J.R.Simpson, J.B.MacChesney, K.L.Walker:
High rate MCVD, J. Non.Cryst. Sol.38,39 (1980) S. 831-836); 2) Plasmaheizung der
Reaktionszone (siehe dazu J.W.Flemming, V.R.Raju: Low optical attention fibers prepared
by plasma enhanced MCVD, Techn. Dig. IOOC, San Franciskco, CA, 1981, Vortrag WA2);
3) Chemische Zusatzheizung (siehe dazu europäische Patentschrift 00 44 526 B1);
4) Abscheidung aus einem Rohr mit Kreisringquerschnitt und beheizten Zentral stab
(siehe dazu Michael C.Weinberg: Thermophoretic Deposition of Particles in Laminar
Flow in a Concentric Annulus, J. Amer. Ceram.
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Soc. 66 (1983) S. 439-443).
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Insbesondere für die unter 4) genannte Maßnahme wird ein hoher Wirkungsgrad
erwartet. Sie läßt sich jedoch nur schwer realisieren, da mit Korrosion des als
Heizstab wirkenden Zentralstabs zu rechnen ist. Außerdem stört der Zentral stab
die weitere Ausführung des Verfahrens wie Klarschmelzen und Kollabieren des Rohres
zur massiven Vorform.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art der Temperaturgradient in Richtung Substrat
und damit die Abscheideeffizienz auf höchst einfache und problemlose Weise erhöht
werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnendenaTeil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß weder der Prozeßablauf
erschwert - ein Einsatz von
internen oder externen zusätzlichen
Hilfsmitteln im Heizbereich ist nicht erforderlich - , noch die abgeschiedene Glasschicht
verschmutzt wird. Neue Möglichkeiten bietet weiterhin die geringe Trägheit der Heizung
durch Absorption der Strahlungsleistung, die eine rasche Modulation der Temperatur
im Bereich mit verschwindend geringem Temperaturgradienten und damit der Abscheidung
ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das MCVD-Verfahren beschränkt
und kann insbesondere auch bei den Verfahren vorteilhaft angewendet werden, bei
denen die zur Einleitung der chemischen Reaktion erforderliche Reaktionstemperatur
in der Flamme erzeugt wird, beispielsweise dem OVD-Verfahren und dem VAD-Verfahren.
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Ähnlich wie beim beheizten Rohr ist in der Abscheidungszone auf oder
in der Nähe der Achse der Flamme der Temperaturgradient verschwindend gering, so
daß auch dort nur ein verschwindend geringer Temperaturabfall in Richtung Substrat
vorhanden ist, so daß auch dort achsennahe Teilchen den Gasströmungslinien folgen
und nicht auf dem Substrat ab geschieden werden.
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Vorteilhafterweise wird gemäß Anspruch 2 das Aerosol mit einer Laserstrahlung
einer Wellenlänge aus dem Infrar6tbereich nachgeheizt, bei der oder in deren Nähe
das Aerosol ein Absorptionsmaximum für die Strahlung aufweist.
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Wenn das Aerosol Quarzglaspartikel aufweist, wird in diesem Fall das
Aerosol vorteilhafterweise gemäß Anspruch 3 mit der Laserstrahlung eines CO2-Lasers
nachgeheizt, dessen Wellenlänge zwischen 8 pm und 11 pm liegt. Die intensive Infrarot-Absorptionsbande
des SiO2 im Spektralbereich von 8 bis 10 pm mit einem maximalen
Dämpfungskoeffizienten
von 9 . 108 dB/km bei. 9,0 um ermöglicht eine wirkungsvolle Einkopplung einer C02-Laserstrahlung
von 9,6 Mm oder 10,6 m Wellenlänge in das Aerosol. Für eine typische SiO2- Konzentration
von 0,01 mol/l ist mit einer Absorption von etwa 50 % des eingestrahlten Lichts
in einer Aerosolschicht von 5 cm Dicke zu rechnen.
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Demgegenüber sind die aus dampfförmigem SiCl4 und O2 bestehenden glasbildenden
Ausgangsstoffe zur Bildung des SiO2 noch transparent, so daß die Strahlung durch
die glasbildenden Ausgangsstoffe in das Aerosol eingestrahlt werden kann. Bei derartigen
Verhältnissen ist es generell zweckmäßig, gemäß Anspruch 4 die Laserstrahlung durch
die transparenten glasbildenden Ausgangsstoffe hindurch in das Aerosol einzustrahlen.
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Vorteilhafterweise wird ein lokaler Bereich des Aerosols nachgeheizt,
in dem nur eine verschwindend geringe Komponente des Temperaturgradienten in Richtung
Substrat vorhanden ist.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin
zu sehen, daß durch die Lasereinstrahlung auch eine Änderung einer Dotierstoffkonzentration
erzielt werden kann.
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Die Erfindung wird am Beispiel des MCVD-Verfahrens anhand der Figuren
in der folgenden Beschreibung eingehender erläutert. Von den Figuren zeigen: Figur
1 in schematischer Darstellung eine geringfügig durch ein Strahlungsdurchtrittsfenster
modifizierte Anordnung zur Durchführung eines herkömmlichen MCVD-Verfahrens, bei
der das in
eine Glasdrehbank eingespannte Glasrohr, auf dessen Innenwand
abgeschieden wird, in axialem Längsschnitt dargestellt ist; Figur 2 das radiale
Brechzahlprofil, das in einem mit der Vorrichtung nach Figur 1 hergestellten massiven
Glasstab gemessen worden ist; und Figur 3 die relative Flächenänderung der Ringfläche
der abgeschiedenen Schichten in Abhängigkeit von der in das Aerosol eingestrahlten
Laserleistung.
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In der Anordnung nach Figur 1 ist ein Glasrohr 7 in die Spannfutter
6 einer Glasdrehbank eingespannt, die das Rohr 7 um dessen Längsachse A dreht. An
der linken Öffnung 71 des Rohres 7 ist eine Drehdurchführung 4 angeordnet und an
der rechten Öffnung 72 eine Absaugung 11. Durch eine Öffnung 5 der Drehdurchführung
wird eine Mischung aus gasförmigen glasbildenden Ausgangsstoffen in das Rohr 7 durch
dessen linke Öffnung 71 eingeleitet, die zur rechten Öffnung 72 strömt.
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Ein in Längsrichtung des Rohres 7 verschiebbarer Brenner 8 erhitzt
die Wandung eines Rohrabschnitts 80 auf eine so hohe Temperatur, daß der diesen
Rohrabschnitt 80 durchströmende Gasstrom der Mischung aus den glasbildenden Ausgangsstoffen
über dem ganzen Querschnitt auf eine Reaktionstemperatur erhitzt wird, bei der die
Ausgangsstoffe chemisch miteinander reagieren und das in Form von Partikeln aus
der Gasphase auskondensierende Glas erzeugen, die das Aerosol 9 bilden.
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In dem an den heißen Rohrabschnitt 80 stromab sich anschließenden
und bis zum rechten Ende 72 des Rohres 7 sich erstreckenden kühleren Rohrabschnitt
10 kühlt
sich das aus dem heißen Rohrabschnitt 80 austretende Aerosol
9 allmählich ab. Die Kühlung geht aus von der kühleren Wandung des Rohrabschnitts
10 und bewirkt, daß dem heißen Strom des Aerosols 9 ein qualitativ parabelförmig
radiales Temperaturprofil 101 aufgeprägt wird, bei dem die Temperatur auf der Längsachse
A des Rohres maximal ist und von dort radial zur Wandung hin allmählich abfällt.
Die Kurve 101 in Figur 1 deutet dieses Temperaturprofil stark überhöht an.
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Aufgrund des ausgeprägten radialen Temperaturprofils 101 ist in dem
Rohrabschnitt 10 eine relativ große, zur Wandung des Rohres 7 hin gerichtete radiale
Komponente des Temperaturgradienten vorhanden, die bewirkt, daß sich Teilchen des
Aerosols 9 nicht nur in axialer sondern auch in radialer Richtung zur kühleren Wandung
hin bewegen, wo sie abgeschieden werden. Die Abscheidung erfolgt bei längerem Rohrabschnitt
nicht über dessen ganze Länge gleichmäßig, sondern vorwiegend in einer begrenzten
Abscheidungszone 100 nahe bei dem heißen Rohrabschnitt 80, in der das parabelförmig
radiale Temperaturprofil 101 am ausgeprägtesten ist.
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In einem zentralen Querschnittsbereich 102 um die Längsachse A des
Rohres 7 ist in dem Rohrabschnitt 10 wegen des qualitativ parabelförmig radialen
Brechzahlprofils 101 die radiale Komponente des Temperaturgradienten verschwindend
gering, so daß sich in diesem Bereich 102 die Teilchen des Aerosols 9 kaum in radialer
Richtung zur Wandung des Rohrabschnitts 10 bewegen und dadurch die Wandung nicht
mehr erreichen, sondern aus der rechten Öffnung 72 des Rohres 7 austreten und für
die Abscheidung verlorengehen.
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Durch die Einstrahlung des Laserstrahs L in den zentralen Bereich
102 wird das Aerosol 9 im Rohrabschnitt
10 noch einmal aufgeheizt,
so daß qualitativ das durch die gestrichelte Kurve 101' angedeutete radiale Temperaturprofil
entsteht, das hinsichtlich der radialen Komponente des Temperaturgradienten wesentlich
günstiger ist, weil diese radiale Komponente nahe bei der Längsachse A noch groß
ist und daher auch achsennahe Partikel des Aerosols 9 noch einer radialen Wanderung
Richtung Wandung des Rohrabschnitts 10 unterworfen werden.
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Wenn die glasbildenden Ausgangsstoffe im Vergleich zum daraus entstehenden
Aerosol nur geringfügig absorbieren, kann die Laserstrahlung durch die Ausgangsstoffe
hindurch in das Aerosol eingestrahlt werden. Dieser Fall ist bei der Anordnung nach
Figur 1 angenommen.
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Der von dem Laser 1 erzeugte Laserstrahl L wird dort über einen nicht
unbedingt erforderlichen Umlenkspiegel 2 umgelenkt und durch ein in der Drehdurchführung
4 angeordnetes Fenster 3 aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material
koaxial in das Rohr 7 eingestrahlt. Der eingestrahlte Laserstrahl L durchstrahlt
die Mischung aus den transparenten glasbildenden Ausgangsstoffen in Strömungsrichtung
und gelangt von dort in das Aerosol 9, wo er absorbiert wird und das Aerosol 9 aufheizt.
Der Durchmesser des Laserstrahls L ist kleiner gewählt als der Innendurchmesser
des Rohres, so daß das Aerosol 9 nur im Bereich 102 um die Längsachse A aufgeheizt
wird.
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Eine analoge Ausführung ist auch bei der Abscheidung aus der Flamme
realisierbar. In diesem Fall kann der Laserstrahl durch die axiale Brennergasleitung
gelenkt werden.
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Mit der Anordnung nach Figur 1 wurde folgendes Verfahrensbeispiel
durchgeführt: Als Laser 1 wurde CO2-Laser mit 80 W Leistung verwendet, der bei der
Wellenlänge 10,6 m emittiert. Der Strahlquerschnitt des von diesem Laser abgestrahlten
Laserstrahls L beträgt 10 mm. Er wurde durch ein KCl-Fenster 3 in der rotierenden
Gasdurchführung 4 in ein Quarzglasrohr 7 mit 17 mm Innendurchmesser und 20 mm Außendurchmesser
koaxial eingestrahlt. Mit Hilfe eines Wärmemeßgeräts wurde hinter der Absaugung
11 an der rechten Öffnung 72 des Rohres 7 eine Ausgangsleistung des Laserstrahls
L von 60 W registriert.
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Über die Drehdurchführung 4 wurde nun eine Mischung aus 1500 cm3/min
Helium, 750 cm3/min Sauerstoff, 3,15 g/min SiCl4 sowie 0,03 g/min POC1 zugeführt
(die Volumenan-33 gaben sind auf 0°C und 98 103 Pa oder 1 bar reduziert).
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Eine Abschwächung der Ausgangsleistung des Laserstrahls L hinter der
Absaugung 11 wurde nicht beobachtet, die Mischung mit den gasförmigen glasbildenden
Ausgangsstoffen erwies sich somit als transparent.
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Beim Einschalten des Brenners 8 und der lokalen Aufheizung des Rohres
7 auf eine Wandtemperatur von 1700"C, gemessen mit einem Pyrometer, wurde simultan
mit der Ausbildung des Aerosols 9 im Rohr ein Absinken der Ausgangsleistung des
Laserstrahls L hinter der Absaugung 11 auf 5 W beobachtet. Das geringfügig mit etwa
1 % P205 dotierte Reaktionsprodukt SiO2 absorbiert somit intensiv.
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Zur genauen Bestimmung der Abscheiderate und ihrer Beeinflussung durch
die Lasernachheizung wurde das Rohr 7 in üblicher Weise mit fahrendem Brenner beschichtet,
wobei die Geschwindigkeit des Brenners 15 cm/min in
Strömungsrichtung
im Rohr 7 betrug. Zunächst wurden sechs Referenzschichten ohne Strahlung aufgelegt
und dann fünf weitere Schichten mit Einstrahlung von 60 W Strahlungsleistuag. Anschließend
wurden noch einmal fünf Referenzschichten gefolgt von sechs Schichten mit Einstrahlung
von 42 W Strahlungsleistung abgeschieden.
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Anschließend wurde das so beschichtete Rohr 7 zum zylindrischen Stab
kollabiert, dessen radiales Brechzahlprofil dann gemessen wurde. Die Figur 2 zeigt
das gemessene Profil. Die insgesamt 22 Einzelschichten S1 bis S22 werden dort durch
die Brechzahlspitzen deutlich markiert. Danach läßt sich die Ringfläche der Schichtpakete
errechnen, woraus sich auch das pro Längeneinheit abgeschiedene Volumen ergibt.
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Die Figur 3 zeigt den relativen Flächenunterschied iSF/F = (F+ - F
)/F der Ringflächen der Schichtpakete über der eingestrahlten Laserleistung aufgetragen,
wobei F + die Ringfläche eines mit Lasereinstrahlung abgeschiedenen Schichtpaketes
und F die Ringfläche eines ohne Lasereinstrahlung abgeschiedenen Schichtpäketes
bedeuten. Die Figur 3 zeigt, daß bereits bei 60 W das abgeschiedene Volumen um 7
% erhöht werden konnte. Diese Erhöhung entspricht einer Erhöhung der Wachstumsrate
von 0,59 g/min auf 0,64 g/min. Diese Erhöhung der Wachstumsrate entspricht wiederum
einer Ausbeuteverbesserung von 53 % auf 57 %. In untersuchten Bereichen wächst a
F/F mit der Laserleistung und es ist daher eine weitere Ausbeuteerhöhung bei höherer
Laserleistung zu erwarten.
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Das Brechzahlprofil nach Figur 2 zeigt für die mit Lasereinstrahlung
abgeschiedenen Schichtpakete aus den Schichten S1 bis S6 bzw. S12 bis S16 eine deutlich
höhere Spitzenbrechzahl, die mit einer höheren Phosphor-
konzentration
einhergeht. Durch die Lasereinstrahlung kann daher auch eine Änderung der Dotierstoffkonzentration
erzielt werden.
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5 Patentansprüche 3 Figuren
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