DE3523992A1 - Verfahren zur herstellung einer glasvorform fuer optische fasern - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer glasvorform fuer optische fasern

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Description

SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES, LTD., OSAKA-SHI, OSAKA-FU / JAPAN
Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform für optische Fasern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform für eine optische Faser. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform aus Siliciumverbindungen unter Verwendung von wenigstens zwei Brennern.
Eine Dampfphasenmethode zur Herstellung einer Glasvorform für eine optische Faser umfasst im allgemeinen, dass man aus einem Brenner eine Mischung aus einem TO Brenngas, einem Glasrohmaterial und gewunschtenfalls einem Additiv zur Einstellung des Brechungsindex der hergestellten Glasvorform verdüst, das Glasrohmaterial in
einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme unter Synthese von feinen Glasteilchen hydrolysiert, die feinen Glasteilchen auf ein rotierendes Ausgangsteil unter Ausbildung einer porösen Masse von feinen Glasteilchen abscheidet und so eine transparente Glasvorform erhält. Im allgemeinen besteht das Brenngas aus einer Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff und das Glasrohmaterial umfasst SiCl., und das Additiv GeCl4, POCl., BBr, etc.. Um die Produktionsrate und die Grosse der porösen Masse aus feinen Glasteilchen zu erhöhen, können zwei oder mehr Brenner bei der Dampfphasenmethode verwendet werden.
Bisher war es bei der Verwendung von zwei oder mehr 5 Brennern bei der üblichen Dampfphasenmethode recht schwierig, das Schüttgewicht der Masse aus feinen Glasteilchen, die am Umfang der Vorform aus feinen Glasteilchen ausgebildet wurde, zu kontrollieren und die Ausbeute zu erhöhen.
Im allgemeinen bildet der erste mittige Brenner eine Flamme, die einen mittigen Teil der Oberfläche der Vorform aus der Masse aus feinen Glasteilchen einschliesst, auf welcher die feinen Glasteilchen abgeschieden werden (nachfolgend als "Abscheidungsoberflache" bezeichnet). Der oder die zweiten Brenner können jedoch nur einen Teil der Abscheidungsoberflache erwärmen, weil deren Flamme nicht die gesamte Abscheidungsoberflache einschliessen kann, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, in welcher aus Gründen der Einfachheit zwei Brenner verwendet werden und die Bezugsziffer 11 für einen Brenner, der
einen mittigen Teil der porösen Masse aus feinen Glasteilchen bildet und 12 für einen Brenner steht, welcher den Umfangsteil der Masse aus feinen Glasteilchen bildet, und 13 und 14 für die Bereiche stehen, die mittels der Brenner 11 bzw. 12 erhitzt werden. Da durch die Drehung die Masse aus feinen Glasteilchen hochgezogen wird, werden einige periphere Teile während einer gewissen Zeit nicht erhitzt, so dass die Abscheidungsoberflache nicht ausreichend erwärmt wird. Deswegen ist ο die Schüttdichte der Masse aus den Glasteilchen an dem peripheren Teil niedriger, wodurch Risse entstehen können.
Breitet man die Flamme so aus, dass die Schüttdichte der am Umfang der Masse aus den feinen Glasteilchen abgeschiedenen Glasteilchen erhöht wird, dann nimmt die Konvergenz der Flamme ab und die Temperatur im Zentrum der Flamme wird erniedrigt, so dass die Produktionsrate für die Glasteilchen sinkt oder die Temperatur der feinen Glasteilchen wird nicht ausreichend erhöht mit dem Ergebnis, dass die Ausbeute abnimmt. Wenn die Fliessgeschwindigkeit des Wasserstoffs einfach erhöht wird, um dadurch die Flammtemperatur zu erhöhen und damit auch die Temperatur auf der'Abscheidungsoberflache, erfolgt durch eine Interferenz zwischen den Brennern ein Minimalpunkt der Schüttdichtenverteilung, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird, wodurch eine Rissbildung in der porösen Masse aus feinen Glasteilchen eintritt.
Wenn man daher zwei oder mehr Brenner zur Synthese von feinen Glasteilchen bei der Herstellung einer porösen
Masse aus feinen Teilchen verwendet, dann werden die Fliessbedingungen bei den zweiten Brennern so ausgewählt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit des Glasrohmaterials erhöht wird, die Temperatur der feinen Glasteilchen erhöht wird und die Ausbeute an feinen Glasteilchen verbessert wird und gleichzeitig wird die durch den oder die Brenner gebildete Flamme so eingestellt, dass man eine stabile Verteilung der Schüttdichte der porösen Masse aus feinen Glasteilchen erhält.
Verwendet man SiCl. als Glasrohmaterial, dann bilden sich die feinen Glasteilchen gemäss der nachfolgenden Gleichung:
SiCl4 + 2H2O > SiO2 + 4HCl (I)
Obwohl diese Reaktion exotherm verläuft, sollte sie durch die von einer εαμβΓε^ίf-Wasserstoff-Flamme gebildete Hitze beschleunigt werden, weil die Reaktionswärme nur 24 kcal/mol beträgt. Die Bildungsrate der feinen Glasteilchen hängt somit von der Menge der mittels der Flamme zugeführten Wärme ab und infolgedessen hängt die Temperaturverteilung in dem Strom der feinen Glasteilchen von der Wärme der Flammen ab. Verwendet man SiCl. alleinvals Glasrohmaterial, dann trägt die mittels des Brenners gebildete Flamme zur Synthese der feinen Glasteilchen bei und erhitzt die gebildeten feinen Glasteilchen und die Abscheidungsoberflache der porösen Masse aus feinen Glasteilchen. Infolgedessen sind die Bedingungen, unter denen man eine grosse poröse
Vorform aus feinen Glasteilchen in stabiler Weise und mit guten Ausbeuten bilden kann, ohne dass die vorerwähnten Nachteile eintreten, sehr begrenzt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform für eine optische Faser zur Verfugung zu stellen, bei welcher eine grosse poröse Masse aus feinen Glasteilchen in stabiler Weise unter Verwendung von mindestens zwei Brennern gebildet wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Methode zur Herstellung einer Glasvorform für eine optische Faser zur Verfügung zu stellen, bei der man die Schüttdichte der porösen Masse aus feinen Glasteilchen einfach kontrollieren kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform für eine optische Faser zu zeigen, bei dem man die Abscheidungsausbeute des Glasrohmaterials erhöhen kann.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform für eine optische Faser mittels wenigstens zwei Brennern und ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein Glavsrohmaterial, enthaltend SiCl. aus einem ersten mittigen Brenner und einer wasserstoffhaltigen Sxliciumverbindung mit einer grösseren Reaktionswärme als SiCl. aus wenigstens einem zweiten Brenner verdüst, das Glasrohmaterial flammhydrolysiert unter Ausbildung von feinen Glasteilchen, dass man die
feinen Glasteilchen auf ein Anfangsteil unter Ausbildung einer Vorform aus einer Masse aus feinen Glasteilchen abscheidet und die Vorform aus der Masse aus feinen Glasteilchen sintert, unter Erhalt einer trans-5 parenten Glasvorform.
10
Fig.
zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung und zum Abscheiden von feienn Glasteilchen unter Verwendung von zwei Brennern;
Fig.
zeigt die Schüttdichtenverteilung in radialer Richtung bei einer porösen Vorform aus feinen Glasteilchen, die nach einer üblichen Dampfphasenmethode erhalten wurden;
Fig.
20
zeigt die Beziehung zwischen der Menge an Glasrohmaterial und der Abscheidungsausbeute; und
Fig. 4 und
25
zeigen Schüttdichtenverteilungen in radialer Richtung einer gemäss Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 gebildeten porösen Vorform aus feinen Glasteilchen.
Beispiele für die wasserstoffhaltige Siliciumverbindung 30 mit einer grösseren Reaktionswärme als SiCl4 sind
SiHCl3, SiH3Cl2, SiH3Cl und SiH.. Diese Verbindungen
können allein oder als Mischung aus zwei oder mehreren verwendet werden. Weiterhin kann die wasserstoffhaltige Siliciumverbindung im Gemisch mit SiCl. verwendet werden. Die Hydrolyse oder Verbrennung von SiHCl3 und SiH. verläuft beispielsweise wie folgt:
SiHCl3 + H3O > SiO2 + HCl (II)
SiH4 + O2 > SiO2 + H2 (III)
Die Reaktionswärme beträgt 118 kcal/mol bei der Reaktion (II) bzw. 339 kcaKmol bei der Reaktion (III) und ist jeweils viel grosser als die Hydrolysewärme von SiCl. und gross genug, um die Reaktion kontinuierlich ablaufen zu lassen. Verwendet man deshalb eine solche wasserstoffhaltige Siliciumverbindung als Glasrohmaterial, wobei es dann nicht notwendig ist, die feinen Glasteilchen mit Hilfe der Verbrennungswärme des Brenngases zu synthetisieren und die feinen Glasteilchen auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht werden können, so kann man die Verbrennungswärme vorwiegend zum Erhitzen der Oberfläche der abgeschiedenen Glasteilchen verwenden und dadurch kann man die Schüttdichte der porösen Masse aus feinen Glasteilchen in einfacher Weise kontrollieren, unabhängig von der Bildung des Glasrohmaterials. Infolgedessen kann man auch die Abscheidungsrate des feinen Glasrohmaterials erhöhen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung kann man den ersten mittigen Brenner dazu verwenden, um einen Kernteil mit einem höheren Brechungsindex zu bilden und der oder die
zweiten Brenner können verwendet werden, um einen Überzugsteil mit einem niedrigeren Brechungsindex zu bilden.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Verdüsungsraten des Brenngases, des Rohmaterials und des gewünschtenfalls verwendeten Additivs im wesentlichen die gleichen wie bei der üblichen Dampfphasenmethode, insbesondere der Dampfphasenmethode mit axialer Abscheidung.
Das Erhitzen und Sintern der porösen Masse aus feinen Glasteilchen (Vorform) wird in an sich bekannter Weise durchgeführt, z.B. bei einer Temperatur von wenigstens 1.6000C in einer Inertgasatmosphäre (z.B. Helium). In der Sinterstufe kann man ein Additiv (z.B. SFß, CF4,
CCIpF-, SiF., BF., BCl, etc.) zugeben, um den Brechungsindex der transparenten Glasvorform zu erhöhen. Das Additiv kann entweder aus dem ersten oder aus dem zweiten Brenner oder aus beiden Brennern verdüst werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ausführlicher in den Beispielen beschrieben.
VERGLEICHSBEISPIEL
Mittels der Brenner 11 und 12, wie sie in Fig. 1 gezeigt werden, wird eine poröse Vorform aus einer Masse aus feinen Glasteilchen aus SiCl. gebildet. Als Brenner 11 und 12 werden gleiche koaxiale Mehrdüsenbrenner verwendet.
Die Fliessraten der Brenner 11 und 12 sind die folgenden:
Brenner 11
(für den mittigen Teil der Vorform)
SiCl. 600 ml/min
GeCl. 105 ml/min
Wasserstoff 10 l/min
Sauerstoff 12 l/min
Argon 2,7 l/min
Brenner 12
(für den Umfangsteil der Vorform)
Wasserstoff 20 l/min
Sauerstoff 20 l/min
Argon 4 l/min
SiCl. 340, 600, 820 oder 1.100 ml/min.
Die Abscheidungsausbeute (die Menge an tatsächlich abgeschiedenen Glasteilchen/theoretische Menge der Abscheidung, bezogen auf die verdüste Menge des Glasrohmaterials) der Vorform aus porösen Glasteilchen wird in Fig, 3 durch Kreise angegeben. In Fig. 3 wird die Fliessrate von SiCl. als SiO« berechnet.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, schwanken die Abscheidungsausbeuten zwischen 50 und 60 %. Beträgt die Fliessrate von SiCl. aus dem zweiten Brenner 1.100 ml/min,
dann bildet die Vorform aus der Masse der feinen Glasteilchen Risse und kann nicht in stabiler Weise gebildet werden. In diesem Fall war die Schüttdichtenverteilung instabil, wie dies in Fig. 4 gezeigt wird, und zeigte einen Minimumpunkt.
BEISPIEL 1
Wie im Vergleichsbeispiel, jedoch durch Verdüsen von SiHCl., aus dem zweiten Brenner 12 mit den folgenden Fliessraten, wurde eine Vorform aus einer Masse aus feinen Glasteilchen gebildet:
Wasserstoff 12 l/min
Sauerstoff 20 l/min Argon 4 l/min
SiHCl3 340, 970, 820, 1.100 oder
1.120 ml/min
Die Abscheidungsausbeuten werden in Fig. 3 als schwarze Kreise gezeigt und liegen etwa um 10 % höher als beim Vergleichsbeispiel; sie schwanken zwischen 56 und 68 %.
In diesem Beispiel konnte beim Verdüsen von SiHCl- mit 1.100 ml/min oder mehr die poröse Vorform aus feinen Glasteilchen in stabiler Weise hergestellt werden. Die Schüttdichtenverteilung ist gleichmässig und stabil, wie dies in Fig. 5 gezeigt wird.
BEISPIEL 2
In gleicher Weise wie im Vergleichsbeispiel, jedoch unter Verwendung der nachfolgenden Fliessraten, wurde eine poröse Vorform aus feinen Glasteilchen gebildet:
Brenner 11
SiCl4
10 GeCl4
Wasserstoff
Sauerstoff
Argon
15 Brenner 12
600 ml/min
105 ml/min
10 l/min
12 l/min
2,7 l/min
Wasserstoff
Sauerstoff
Argon
SiCl4
SiHCl,
Die Abscheidungsausbeute betrug 61 %, 25
16 l/min
20 l/min
4 l/min
600 ml/min
340 ml/min

Claims (4)

HOFFMANN · EITLE-& PARTNER ^ PATENT- UND RECHTSANWÄLTE K, PATENTANWÄLTE DIPL1-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H,-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GDRG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 42 213 o/wa SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES, LTD., OSAKA-SHI, OSAKA-FU / JAPAN Verfahren zur Herstellung einer Glasvorform für optische Pasern PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer Glasvorforra für eine optische Faser unter Verwendung von wenigstens zwei Brennern, dadurch gekennzeichnet dass man ein Glasrohmaterial, enthaltend SiCl. von einem ersten mittigen Brenner und eine wasserstoffhaltige Siliciumverbindung mit einer grösseren Reaktionswärme als SiCl . aus wenigstens einem zweiten Brenner verdüst, das Glasrohmaterial unter Ausbildung von feinen Glasteilchen flammhydrolysiert, die feinen Glasteilchen auf ein Anfangsteil unter
ARABELLASTRASSE 4 . D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON CO8QJ 9110 87 · TELEX 5-29619 CPATHEJ · TELEKOPIERER 9183
30
Ausbildung einer Masse aus feinen Glasteilchen abscheidet und die Masse aus feinen Glasteilchen unter Erhalt einer transparenten Glasvorform erhitzt und sintert.
5
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffhaltige Siliciumverbindung ausgewählt ist aus SiHCl-, SiH2Cl2, SiH-Cl und SiH4.
10
3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserstoffhaltige Siliciumverbindung eine Mischung aus wenigstens zwei Verbindungen, ausgewählt aus SiHCl3, SiH_Cl ,
SiH3Cl, SiH4 und SiCl4, ist.
4. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste mittige Brenner verwendet wird, um den Zentralteil der porösen Vorform mit einem höheren Brechungsindex zu bilden und dass der zweite Brenner verwendet wird, zur Herstellung des Umfangsteils mit einem niedrigeren Brechungsindex.
25
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