DE3419275A1 - Verfahren zur erzeugung von glasschichten aus der gasphase, insbesondere fuer die herstellung von vorformen fuer optische glasfasern - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von glasschichten aus der gasphase, insbesondere fuer die herstellung von vorformen fuer optische glasfasern

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DE3419275A1 DE19843419275 DE3419275A DE3419275A1 DE 3419275 A1 DE3419275 A1 DE 3419275A1 DE 19843419275 DE19843419275 DE 19843419275 DE 3419275 A DE3419275 A DE 3419275A DE 3419275 A1 DE3419275 A1 DE 3419275A1
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Description

  • Verfahren zur Erzeugung von Glasschichten aus der
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Maßnahmen zur Erhöhung des Temperaturabfalls in Richtung Substrat führen zu einer Erhöhung der Abscheideeffizienz.
  • 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.
  • Soc. 66 (1983) S. 439-443).
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnendenaTeil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafterweise wird ein lokaler Bereich des Aerosols nachgeheizt, in dem nur eine verschwindend geringe Komponente des Temperaturgradienten in Richtung Substrat vorhanden ist.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Lasereinstrahlung auch eine Änderung einer Dotierstoffkonzentration erzielt werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine analoge Ausführung ist auch bei der Abscheidung aus der Flamme realisierbar. In diesem Fall kann der Laserstrahl durch die axiale Brennergasleitung gelenkt werden.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 5 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung von Glasschichten, insbesondere für die Herstellung von Vorformen für optische Glasfasern, wobei durch durch chemische Reaktion von aufgeheizten, glasbildenden Ausgangsstoffen Glas erzeugt wird, das aus der Gasphase in Form von Partikeln auskondensiert, die ein Aerosol bilden, aus dem sich Partikel auf einem kühleren Substrat zur Bildung einer Glasschicht abscheiden, da du r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das gebildete Areosol (9) mit Hilfe einer vom Aerosol (9) absorbierten Laserstrahlung (L) nachgeheizt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Aerosol (9) mit einer Laserstrahlung (L) einer Wellenlänge aus dem Infrarotbereich nachgeheizt wird, bei der oder in deren Nähe das Aerosol (9) ein Absorptionsmaximum für die Strahlung aufweist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Quarzglaspartikel aufweisende Aerosol (9) mit der Laserstrahlung (L) eines CO2-Lasers nachgeheizt wird, deren Wellenlänge im Bereich zwischen 8 pm und 11 m liegt.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laserstrahlung (L) durch die transparenten glasbildenden Ausgangsstoffe hindurch in das Aerosol (9) eingestrahlt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein lokaler Bereich (102) des Aerosol (9) nachgeheizt wird, in dem eine nur eine verschwindend kleine Komponente des Temperaturgradienten in Richtung Substrat (7) vorhanden ist.
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