DE3619379A1

DE3619379A1 - Verfahren und vorrichtungen zur herstellung von optischen glasgegenstaenden

Info

Publication number: DE3619379A1
Application number: DE19863619379
Authority: DE
Inventors: Martin Prof. Dr.-Ing. 4630 Bochum Fiebig; Marita Dipl.-Phys. 4350 Recklinghausen Hilgenstock; Hanns-Arno Dipl.-Ing. 5948 Schmallenberg Riemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-06-09
Filing date: 1986-06-09
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3619379C2

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von optischen Glasgegenständen

Optische Wellenleiter für optische Informationsübertragungssysteme, die im sichtbaren und infraroten Spektralbereich arbeiten, bestehen normalerweise aus einer optischen Faser, die aus einem transparenten Kern und einer transparenten Mantelschicht mit einem Brechungsindex, der kleiner als der des Kerns ist, aufgebaut ist.

Die Anforderungen an die optische Qualität sind derart hoch, daß konventionelle Glasfasern nicht verwendet werden können, da deren Dämpfung, die auf Streuung und Absorption zurückzuführen ist, sowie deren Dispersion viel zu hoch sind. Es wurden daher verschiedene Verfahren zur Herstellung von Gläsern in Faserform mit sehr hoher Reinheit entwickelt, die mit der Bildung des Glasmaterials aus der Dampfphase und anschließender Abscheidung arbeiten. Aus dem Niederschlag werden die Vorformen gebildet, aus denen die optischen Wellenleiter als Glasfasern gezogen werden. Bei einem solchen Verfahren wird der Dampf des Ausgangsmaterials in ein erhitztes Substratrohr geleitet, wo sich Partikel bilden, die niedergeschlagen werden und Glasschichten bilden; die erhaltene Vorform wird kollabiert, dann erhitzt und zu einem optischen Wellenleiter ausgezogen. Um eine gleichmäßige Abscheidung im Substratrohr zu erhalten, werden die Reaktanden und die Schleppmittel in das eine Ende des Substratrohres eingespeist, jedoch nur in einem kleinen Bereich des Rohres niedergeschlagen, welches durch eine Heiz- und manchmal auch zusätzliche Kühlvorrichtung temperiert wird, wodurch das Strömungsmedium erhitzt, die Reaktionen eingeleitet, die Partikel gebildet und thermophoretisch abgeschieden werden. Die Heizvorrichtung wird dabei das Rohr entlang hin und her bewegt. Jedesmal, wenn die Heizvorrichtung längs des Rohres geführt wird, wird eine Glasschicht im Rohr aufgebracht. Die Vorschubgeschwindigkeit der Heizvorrichtung ist dabei klein gegenüber der mittleren Dampfgeschwindigkeit. Anschließend wird die Heiz-

vorrichtung zum Ausgangsort zurückgeführt. Mit einem neuen Bewegungsvorgang kann eine neue Glasschicht aufgebracht werden.
Wesentliche Nachteile dieses Standard-Niederschlagsverfahrens bestehen darin, daß nur eine vergleichsweise geringe Menge an Glasmaterial niedergeschlagen werden kann, die Reaktionsausbeute und der Wirkungsgrad relativ gering sind und die Abscheidezone relativ lang ist, was zu relativ
großen Endverlusten führt. Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Niederschlagsmenge dadurch zu erhöhen, daß der Innendurchmesser des Substratrohres erhöht wird, um eine größere Oberfläche für die Abscheidung zu schaffen. Läßt man die übrigen Parameter des Problems konstant, führt dies jedoch zu einer geringeren Reaktionsausbeute und zu einem geringeren Wirkungsgrad, was der Erhöhung der Abscheiderate enge Grenzen setzt (s. Offenlegungsschrift DE 29 22 795) und auch zu einer noch längeren Abscheidezone führt.

Zur Verbesserung des beschriebenen Verfahrens wurde vorgeschlagen, die Aufheizung der Gasmischung im Rohr zusätzlich oder allein durch Absorption von Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums vorzunehmen. Hierauf wird nicht eingegangen, da es die Erfindung nicht berührt.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Reaktionsausbeute des beschriebenen Verfahrens wurde weiterhin vorgeschlagen (s. Offenlegungsschrift DE 29 22 795), dem axialen Bereich des Substratrohres im Bereich der Heißzone einen Gasstrom achsparallel, z.B. mittels eines Rohres , das synchron mit der Heizvorrichtung mitbewegt wird, zuzuführen und damit die Gasströmung, Reaktionszone und Partikelbildung auf einen ringförmigen Kanal zu beschränken, der in der Heißzone an die innere Oberfläche des Substratrohres angrenzt.

Damit läßt sich eine Erhöhung der Reaktionsausbeute und des Wirkungsgrades erzielen. Der Reaktionsausbeute- und der Wirkungsgradverbesserung sind aber enge Grenzen gesetzt, weil die die Reaktionsabläufe und die Abscheidung kontrol-

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lierende Temperaturverteilung in der Dampfmischung und der Suspension nur über die Wandtemperaturverteilung beeinflußt werden kann. Der Abscheiderate sind Grenzen gesetzt, weil die freie Scherschicht zwischen Reaktionsgasstrom und Verdrängungsgasstrom instabil ist und zu Turbulenz führt, die die Abscheidung stört. Nachteilig ist außerdem, daß das innere Glasrohr genau konzentrisch zum Substratrohr synchron mit der Heizvorrichtung geführt werden muß, aber nur einseitig außerhalb des Substratrohres gelagert werden kann.

Weiterhin wurde zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Reaktionsausbeute vorgeschlagen (F. Sandoz et al.: ¹A New Method to Increase the Deposition Efficiencies in MCVD Process¹, in: Proceedings of the ECOC, 1984, pp. 298/299), in das Substratrohr ein geheiztes Rohrstück mit Halbkugelvorkörper, welches etwa in Höhe der Heizvorrichtung beginnt und stromab bis über das Ende des Substratrohres reicht, einzubringen, das synchron mit der Heiz- und Kühlvorrichtung bewegt wird.

Die Heizvorrichtung im Inneren des Rohrstückes mit Halbkugelvorkörper kann zu einer besseren Reaktionsausbeute im Achsbereich führen. Der Halbkugelvorkörper mit Rohrstück wirkt für die Strömung als Verdrängungskörper, was den Wirkungsgrad erhöhen kann. Die Heizvorrichtung im Inneren des Rohrstückes mit Halbkugelvorkörper wird jedoch nicht dazu genutzt, die Partikelbahnen zu steuern. Besonders nachteilig ist, daß das Rohrstück mit Halbkugelvorkörper genau konzentrisch zum Substratrohr geführt und synchron mit der äußeren Heizvorrichtung bewegt werden muß, es aber nur einseitig stromab des Substratrohres gelagert werden kann, und die hohen Temperaturen des Rohrstückes mit Halbkugelvorkörper dessen Steifigkeit herabsetzen.

Ein weiterer Vorschlag besteht darin, ein sich über die ganze Rohrlänge erstreckendes, axiales Heizelement in das Substratrohr einzubringen (US Patent 4,328,017). Da-

durch lassen sich stärkere thermophoretische Kräfte aufprägen, die die Abscheideeffizienz heraufsetzen. Allerdings führt die konstante Temperatur des zusätzlichen Heizelementes zu schwächeren axialen Temperaturgradienten stromab des Brenners, so daß zu große Abscheidelängen erzielt werden. Um eine konstante Dicke der einzelnen abgeschiedenen Schichten zu gewährleisten, sind deshalb Gegenmaßnahmen bis hin zur Korrektur der Glasfaser-Vorform durch Aufbringen zusätzlicher Mantelschichten in Abhängigkeit von der Kernfaser-Verjüngung erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches eine standardmäßige hohe Reaktionsausbeute, einen hohen Wirkungsgrad und geringe Endverluste aufweist, und bei welchem standardmäßig sehr hohe Abscheideraten und sehr fein strukturierte Brechzahlindexprofile erreicht werden und welches dennoch relativ einfach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Doppelrohrverfahren gelöst, bei dem die Gasmischung durch den von den achsparallel ausgerichteten Glasrohren gebildeten Ringspalt strömt und jedes Rohr individuell über eine regelbare Heiz- und Kühlvorrichtung temperiert wird und die Heiz- und Kühlvorrichtungen entlang der Rohre synchron bewegt werden können.

Bei der axialen Durchströmung des Ringspaltes sind die Rohre konzentrisch ausgerichtet und die Heiz- und Kühlvorrichtungen beider Rohre werden synchron bewegt. Für einen Innendurchmesser des äußeren Rohres und eine Breite des Ringspaltes sowie einen gewählten Gasstrom wird über die Vorschubgeschwindigkeit und die individuelle Regelung der Heiz- und Kühlvorrichtungen des Außen- und des Innenrohres die Temperaturverteilung der Dampfmischung in der relativ zur Rohrlänge kurzen Heißzone so gesteuert, daß die Reaktionsausbeute sehr hoch ist, die sich bildenden Glaspartikel in einem engen, ringförmigen Schlauch stromab und radial geführt und praktisch vollständig in einer kurzen

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Abscheidezone abgesetzt werden. Letzteres führt zu geringen Endverlusten, über die separate Steuerung der Wandtemperaturverteilung des Innenrohres und des Außenrohres werden die hohe Reaktionsausbeute, der hohe Wirkungsgrad und die geringen Endverluste erzielt. Über die. Steuerung der Wandtemperaturverteilung kann ebenfalls gesteuert werden, daß sich die Glaspartikel entweder an der Innenwand des Außenrohres oder an der Außenwand des Innenrohres oder auch an beiden Rohren niederschlagen.

Die Abscheiderate einer Anordnung kann ohne Änderung von Reaktionsausbeute, Wirkungsgrad und Länge der Abscheidezone dadurch erhöht werden, daß die Radien des äußeren und des inneren Glasrohres vergrößert werden und entsprechend auch die Radien der Heiz- und Kühlvorrichtungen der Rohre, aber die Breite des Ringspaltes und die Wandstärken der Glasrohre sowie die mittlere Geschwindigkeit der Heiz- und Kühlvorrichtungen als auch deren Heiz- und Kühlleistungen pro Flächeneinheit beibehalten werden, so daß die Wandtemperaturverteilungen der Glasrohre die gleichen bleiben.

Die Dicke der Niederschlagsschicht pro Durchgang kann ohne Änderung von Reaktionsausbeute und Wirkungsgrad und Länge der Abscheidezone dadurch verringert oder vergrößert werden, daß die Breite des Ringspaltes verringert oder vergrößert wird, aber das Produkt aus Breite des Ringspaltes und mittlerer Gasgeschwingkeit, die Summe der Radien des inneren und des äußeren Rohres sowie das Verhältnis von mittlerer Gasgeschwindigkeit zur Vorschubgeschwindigkeit der Heiz- und Kühlvorrichtungen konstant gehalten werden, und die Heiz- und Kühlleistungen pro Flächeneinheit so eingestellt werden, daß die gleichen Wandtemperaturverteilungen relativ zu den Heiz- und Kühlvorrichtungen erhalten bleiben. Es lassen sich so beliebig feine Niederschlagsschichten bei hohen Abscheideraten, hoher Reaktionsausbeute, hohem Wirkungsgrad und kurzer Abscheidezone erzeugen. Koaxiale Ausrichtung der beiden Rohre ist einfach, weil sie axial nicht gegeneinander bewegt und an beiden Enden gelagert werden können. Die Wandtemperaturen der

Rohre können niedriger als bei den eingangs beschriebenen Verfahren gehalten werden, weil die Aufheizung der Dampfmischung von zwei Seiten erfolgt. Die Zentrierung der Heiz- und Kühlvorrichtung im Innenrohr kann leicht über Gleitlager erfolgen.

Weitere Aufgabenstellungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen:

Fig. 1; zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stande der Technik zur Niederschlagung einer Glasschicht in einem Rohr.

Fig. 2; zeigt einen Längsschnitt durch das Rohr gemäß Fig. 1 und stellt schematisch die Bedingungen während des Verfahrens dar.
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Fig. 3. und 4: zeigen schematisch die Darstellungen einer

Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die eine Verbesserung gegenüber der Vorrichtung gemäß Fig. 1 darstellt.
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Fig. 5; zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stande der Technik zur Verbesserung der Reaktionsausbeute und des Wirkungsgrades gegenüber den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und Fig. 3. 30

Fig. 6; zeigt die schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung zur Verbesserung von Abscheiderate und -effizienz gegenüber den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und Fig. 3.
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Fig. 7: zeigt die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Doppelrohrverfahren bei axialer Durchströmung des Ringspaltes.

ORIGINAL INSPECTEO

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Fig. 8^ und 9; zeigen Längsschnitte der erfindungsgemaßen

Vorrichtung von Fig. 7, einmal für die Abscheidung auf der Innenwand des Außenrohres (Fig.8) und einmal für die Abscheidung auf der Außenwand des Innenrohres

(Fig. 9).

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein System nach dem Stande der Technik, enthaltend ein Substratrohr (10) mit einem Halterungsrohr (8), das mit dem Eingangsende des Substratrohres (10) verbunden ist und ein Austrittsrohr (12), das mit dem Ausgangsende des Substratrohres verbunden ist. Die Rohre (8) und (12) sind z.B. mit einem Glasdrehspannfutter, das nicht gezeigt ist, eingespannt. Diese Rohrkombination kann horizontal oder vertikal gelagert sein, und sie rotiert, wie durch den Pfeil angedeutet, bei horizontaler Lagerung, während dies bei vertikaler Lagerung nicht unbedingt .erforderlich ist, weil bei vertikaler Lagerung durch Aufheizeffekte keine Asymmetrien entstehen.' Das Halterungsröhr, das auch weggelassen werden kann, ist ein Glasrohr minderer Qualität, das den gleichen Durchmesser wie das Substratrohr aufweist; es stellt keinen Teil des optischen Wellenleiters dar. Eine Heißzone (Fig. 2) durchläuft das Substratrohr (10) dadurch, daß die geregelte Heiz- und Kühlvorrichtung

(16) (in den Figuren 1 bis 4 ist nur ein Brenner angedeutet) bewegt wird, was durch die Pfeile (18a) und (18b) angedeutet ist. Heiz- und Kühlvorrichtungen können aus einer geeigneten Wärmequelle, wie z.B. einem Ringbrenner, einem Widerstands- oder induktiven Ringofen, und einer geeigneten Wärmesenke, wie z.B. einem ringförmigen Flüssigkeitsprühstrahl oder Gasstrahl, bestehen. Die Reaktionsund Schleppmittel werden in das Substratrohr (10) mittels eines Leitungsrohres (20) eingespeist, das mit mehreren Gas- und Dampfquellen verbunden ist. In Fig. 1 sind Strömungsmesser (F) dargestllt. Eine Sauerstoffquelle (22) ist über einen Strömungsmesser (24) mit dem Leitungsrohr (20) und über die Strömungsmesser (26, 28 und 30) mit den Vorratsbehältern (32, 34 und 36) verbunden. Eine Bortrichlor-

OAIGINAL INSPECTED

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idquelle (38) ist mit dem Leitungsrohr (20) über einen Strömungsmesser (40) verbunden. Die Vorratsbehälter (32, 34 und 36) enthalten normalerweise flüssige Reaktionsmittel, die in das Substratrohr (10) dadurch eingeleitet werden, daß Sauerstoff oder andere geeignete Trägergase hindurchgesprudelt werden. Austretendes Material wird durch das Austrittsrohr (12) abgeführt. Es können zusätzlich in bekannter Weise Mischventile und Steuerventile verwendet werden, die die Mischverhältnisse und Mengenströme während des Prozesses variieren, aber in den Zeichnungen nicht gezeigt sind.

Die Heiz- und Kühlvorrichtung (16) bewegt sich zunächst mit einer Geschwindigkeit, die klein gegenüber der mittleren Dampfgeschwindigkeit ist, relativ zum Substratrohr (10) in der Richtung des Pfeiles (18b), d.h. in Strömungsrichtung. Die Reaktionsmittel reagieren in der Heißzone (14) zu einer Suspension von partikelförmigem Glasmaterial, sprich Ruß, welches stromab in den Bereich (42) des Substratrohres (10) geführt wird. Im allgemeinen werden zwischen 20 und 70 % der Reaktionsprodukte, die im Dampfstrom gebildet werden und als Ruß in der gewünschten Glaszusammensetzung vorliegen, an der Substratrohroberfläche niedergeschlagen.

Betont sei, daß sich im wesentlichen kein Ruß im Bereich (46) des Substratrohres (10) stromauf der Heißzone (14) bildet. Da der Brenner ständig in Richtung des Pfeiles (18b) bewegt wird, bewegt sich auch die Heißzone stromab, so daß die Rußanhäufung (44) von der Heißzone überfahren wird und dabei zu einer homogenen, glasigen Schicht (48) konsolidiert wird. Verfahrensparameter wie Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten, Reaktionsmittel und ähnliches können den Veröffentlichungen L.E. French et al., Applied Optics, 15 (1976) und K.L. Walker et al., Journal of the American Ceramic Society, 63, (1980), pp. 552-558, entnommen werden. In diesem Zusammenhang sei auch auf das Buch verwiesen: 'Vapor Deposition', edited by CF. Powell et al., John Wiley & Sons Inc., (1966).

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Wenn der Brenner (16) das Ende des Substratrohres (10) bei dem Austrittsrohr (12) erreicht hat, wird die Flammentemperatur reduziert und der Brenner in Richtung des Pfeiles zum Eingangsende des Substratrohres (10) zurückgeführt. Anschließend werden weitere Schichten glasigen Materials im Substratrohr in gleicher Weise wie oben beschrieben niedergeschlagen. Nachdem eine genügende Anzahl von Schichten für den Fasermantel und/oder das Kernmaterial der resultierenden, optischen Wellenleiterfasern niedergeschlagen wurde, wird die Temperatur der so erhaltenen Vorform auf ca.

2000 C erhöht, so daß das Substratrohr (10) kollabiert. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Durchgangsgeschwindigkeit der Heißzone erniedrigt wird. Die Glasvorform kann anschließend zu einem optischen Glasgegenstand, insbesondere einem optischen Wellenleiter, von gewünschtem Durchmesser gezogen werden.

Um das Verfahren vom Standpunkt der chemischen Reaktionen aus zu optimieren, sind je nach Art der Reaktanden unterschiedliche, aber jeweils hohe Temperaturen notwendig. Für die üblichen, auf Siliziumdioxid basierenden Systeme werden Temperaturen an der Substratwandung zwischen ca.

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1.400 C und 1.900 C im Bereich der Heißzone aufrechterhalten. Diese Temperaturen werden durch Pyrometer, die auf die äußere Rohroberfläche eingestellt werden, oder Thermoelemente, die auf der äußeren Rohroberfläche angebracht werden, gemessen.

Es ist bekannt, daß einer der Faktoren, die die Nieder-Schlagsausbeute begrenzen, die Sinterung des niedergeschlagenen Rußes zu einer transparenten Glasschicht ist. Für eine vorgegebene, niederzuschlagende Glaszusammensetzung gibt es eine maximale Schichtdicke des Glases, die bei einer optimalen Kombination von Heißzonengröße, Maximaltemperatur der Heißzone und Brenner-Vorschubgeschwindigkeit gesintert werden kann.

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Wenn die Dicke der gesinterten Schicht auf einem Maximum für verschiedene Rohrdurchmesser gehalten werden soll, so fällt bei dem in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Niederschlagsverfahren die Ausbeute ab Rohrdurchmessern von ca. 30 mm, so daß es schwierig ist, eine weitere Erhöhung der Abscheiderate zu erreichen.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Grenze für die maximale Abscheiderate dadurch erhöht werden kann, daß, wie in Fig.

3 gezeigt, ein Gasstrahl, der sich nicht negativ auf die optischen Eigenschaften des Rußes auswirkt, über ein achsparalleles Gaszuführungsrohr (50) zugeführt wird. Das Rohr (50) wird über das Ende des Substratrohres (52) eingeführt, in welches die Reaktionsmittel eingespeist werden. Das Gaszuführungsrohr (50) endet kurz vor der Heißzone (54), die durch die bewegte Heizvorrichtung erzeugt wird. Das Rohr ist mechanisch mit der Heizvorrichtung (56) verbunden, was durch die gestrichelte Linie (58) gekennzeichnet ist. Das Eingangsende des Substratrohres (52) ist mit dem Rohr

(50) über ein kollabierbares Teil (60) verbunden, wobei eine drehbare Dichtung (62) zwischen dem kollabierbaren Teil (60) und dem Rohr angeordnet ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, die einen Querschnitt durch die Heißzone und die angrenzenden Bereiche des Rohres (52) darstellt, bildet das aus dem Rohr (50) entweichende Gas zunächst eine gasförmige Barriere gegenüber den Reaktionsmitteln, die in Richtung der Pfeile zwischen den Rohren (50) und (52) fließen, wobei aber aufgrund der Instabilität der Strahlgrenze eine turbulente Durchmischung zwischen dem Gasstrahl und den Reaktionsmitteln auftritt. Dennoch kann in gewissen Bereichen eine Erhöhung der Abscheiderate erzielt werden.

Weiterhin ist bekannt, daß Wirkungsgrad und Reaktionsausbeute dadurch zu erhöhen sind, daß, wie in Fig. 5 gezeigt, ein über die ganze Länge geheiztes Glasrohrstück mit Halbkugelvorkorper (63), welches etwa in der Höhe der Heizvorrichtung beginnt und sich stromab über das Substratrohrende hinaus erstreckt, synchron mit der Heiz- (56) und

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Kühlvorrichtung (64) bewegt wird. Das beheizte Glasrohrstück (63) wird über das Ende des Substratrohres eingeführt, über welches die Strömung austritt. Es wird auf einer solchen Temperatur gehalten, daß auf ihm keine Rußablagerungen auftreten. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, bildet das beheizte Glasrohrstück einen Verdrängungskörper, der die Dampfmischung in einen Ringkanal abdrängt und zusätzlich aufheizt. Dadurch kommen zusätzlich Teile der Dampfmischung, die stromauf des beheizten Glasrohres (63) in Achsnähe lagen, zur Reaktion und bilden Glaspartikel, welche aufgrund der Temperaturgradienten zwischen beheiztem Glasrohrstück (63) und Substratrohr (52) abgeschieden werden, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad führt. Die Heizvorrichtung im Inneren des Rohrstückes mit Halbkugelvorkörper wird nicht dazu genutzt, die Partikelbahnen zu steuern. Es ist bekannt, daß die genaue konzentrische Ausrichtung und Verfahrbarkeit eines langen geheizten Glasrohres, das nur an einem Ende gelagert werden kann, sehr schwierig ist.

Des weiteren ist bekannt, daß sich Abscheiderate und effizienz durch Einbringen einer koaxialen Heizvorrichtung - wie in Fig. 6 gezeigt - erhöhen lassen. Dabei wird in das rotierende Substratrohr (10) ein Heizer (76) eingebracht, der sich aus dem Heizelement (77) und einem Rohr (66) zusammensetzt und über die elektrischen Anschlüsse (68) und (70) verfügt. Das Gasgemisch (78) gelangt über die mit einer Drehdichtung (62) versehene Halterung (74) in den Raum zwischen Substratrohr (10) und Heizer (76) und erreicht die durch den Brenner (56) erzeugte Heißzone (72). Die Temperatur des Heizers (76) wird so hoch gehalten, daß sich die in der Heißzone gebildeten Glaspartikel nicht auf dem Rohr (66) sondern nach Verlassen der Heißzone durch die dort starken, nach außen wirkenden Temperaturgradienten auf dem Substratrohr (10) niederschlagen. Nicht abgeschiedene Partikel gelangen mit dem Abgasstrom in das Austrittsrohr (12). Da sich mit diesem Verfahren bei gleichbleibender Gaszusammensetzung keine konstante Dicke der Deposi-

tionsschicht erreichen läßt, wird die Zusammensetzung des Gasgemisches (78) in Abhängigkeit vom Ort des Brenners (56) über die Signalleitung (71) zum Regler (69), über den Signalwandler (67) und den Stellmotor (65) durch die die Sammelbehälter (57) und (59) ansteuernden Ventile (73) und (75) variiert. Allerdings wird die Ursache dieses nachteiligen Abscheideverhaltens, die zu lange Abscheidezone, hierdurch nicht beseitigt, so daß weiterhin mit großen Endverlusten gerechnet werden muß.

Erfindungsgemäß lassen sich mit dem Doppelrohrverfahren sehr hohe Abscheideraten, Wirkungsgrade und Reaktionsausbeuten, sowie äußerst kurze Abscheidezonen und sehr dünne Abscheideschichten bei vergleichsweise einfacher Konstruktion verwirklichen. Dies wird an einer Verwirklichung des Prozesses mittels der in den Figuren 7 und 8 schematisch gezeigten Vorrichtung erläutert. Prinzipiell kann die Vorrichtung nach Fig. 7 und 8 horizontal oder vertikal betrieben werden, wobei bei vertikalem Betrieb die Rotation des Rohres (80) entfallen kann. Die beiden konzentrisch angeordneten Glasrohre (80) und (80¹) bilden einen Ringspalt, der axial durchströmt wird. Das äußere Rohr (80) kann um seine Achse rotiert werden. Das Rohr (80) ist mit dem Rohr (80¹) über eine Dampfgemischzufuhrungsvorrxchtung

(81) und eine Absaugevorrichtung (81') und die Drehdichtungen (83) und Schiebedichtungen (83*) verbunden. Außenrohr (80) und Innenrohr (80¹) sind jeweils mit einer individuell regelbaren Heiz- und Kühlvorrichtung (82) und (82¹) versehen, die miteinander mechanisch gekoppelt sind, was durch die gestrichelte Linie (88) angedeutet ist, wodurch die Heiz- und Kühlvorrichtungen (82) und (82*) synchron verfahren werden können. Die Heiz- und Kühlvorrichtung (82') ist zweifach im Glasrohr (80¹) verfahrbar gelagert (89). Die beiden Glasrohre (80) und (80¹) sind an den kalten Enden spannungsfrei so gelagert, daß axiale Dehnungen möglich sind.

Die Heiz- und Kühlvorrichtungen (82) und (82¹) erzeugen die

Heißzone (86) und Abscheidezone (84) im Ringspalt. In Fig. 8 ist schematisch die Heiz- und Kühl-Anordnung gezeigt, wenn die Abscheidung auf der Innenwand des äußeren Rohres erfolgt. Dann wird die Temperatur des inneren Rohres immer so geregelt, daß sich thermophoretisch keine Teilchen auf dem inneren Rohr ablagern, d.h., daß die Temperatur des inneren Rohres im allgemeinen höher als die des äußeren Rohres ist. Die Energiezufuhr kommt dann überwiegend über das innere Rohr, wodurch die Wärmeverluste nach außen niedriger sind und eine bessere Energieausnutzung erfolgt als bei einer Energiezufuhr von außen.

Die Temperaturverteilung in der Heißzone (86) wird so über die Heiz- und Kühlvorrichtung (82¹) gesteuert, daß die Reaktion zu glasbildenden Molekülen und darauf die Bildung von Glaspartikeln von der Außenwand des Innenrohres ausgeht und stromab einen immer größeren radialen Bereich erfaßt, wobei der radiale Temperaturgradient so gesteuert wird, daß sich die Glaspartikel in oinem dünnen Ringschlauch (85) sammeln, der sich stromab und radial bewegt, bis er das Substratrohr erreicht. Die Heiz- und Kühlvorrichtung (82) wird zur Steuerung der Temperaturen und des Temperaturgradienten im Bereich des äußeren Rohres derart benutzt, daß die Reaktion und die Bildung der Glaspartikeln, an der Außenwand zuletzt erfolgen, welche dann auf einer kurzen Strecke thermophoretisch von der Außenwand abgelenkt und darauf in einer sehr kurzen Zone (84) abgesetzt werden und anschließend zu einer homogenen, glasigen Schicht (87) konsolidiert werden. Über die Steuerung des Temperaturniveaus wird die hohe Reaktionsausbeute der glasbildenden Moleküle erzielt, über die Steuerung der Temperaturgradienten nach Bildung der Glaspartikel wird die nahezu 100%ige Abscheidung der Glaspartikel in einer sehr kurzen Zone erreicht. Die kurze Abscheidezone bringt zwei Vorteile: 1 .

werden dadurch die Endverluste stark verringert und 2. erfolgt dadurch die ideale Mischung der verschiedenen Glaspartikelsorten, die den jeweils gewünschten Brechungsindex erzeugen.

Eine optimale Anordnung ist gekennzeichnet durch eine sehr kurze Abscheidezone, einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine hohe Reaktionsausbeute. Zu dieser optimalen Anordnung gehören eine Gasmischung, mittlere Gasgeschwindigkeit, Geschwindigkeit und Einstellung der Heiz- und Kühlvorrichtungen (82) und (82')r die ein bestimmtes Temperaturprofil auf dem Außen- und Innenrohr erzeugen, sowie ein bestimmter Innendurchmesser des Außenrohres und eine bestimmte Ringspaltbreite als auch bestimmte Wandstärken der Rohre, die den Ringspalt bilden.

Diese optimale Anordnung ist auch durch eine bestimmte Abscheiderate und Schichtdicke pro Durchgang gekennzeichnet.

Wie die Abscheiderate bei gleichem Wirkungsgrad, gleicher Reaktionsausbeute, gleicher Länge der Abscheidezone und gleicher Schichtdicke pro Durchgang zu erhöhen ist, wurde bereits vorher beschrieben.

Wie die Schichtdicke pro Durchgang zu verringern oder zu erhöhen ist bei gleicher Abscheiderate, gleicher Reaktionsausbeute, gleicher Länge der Abscheidezone und gleichem Wirkungsgrad wurde ebenfalls schon vorher beschrieben.

Auf diese Weise läßt sich unter Beibehaltung einer optimalen Anordnung die für ein zu erzeugendes Brechzahlprofil günstigste Schichtdicke einstellen.

Während des Prozesses verringert sich von Durchgang zu Durchgang die Ringspalthöhe. Um die Anordnung optimal zu halten, muß das Produkt aus mittlerer Gasgeschwindigkeit mal Ringspalthöhe und das Geschwindigkeitsverhältnis von Gasgemisch zu Heiz- und Kühlvorrichtungen konstant gehalten werden.
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In den Figuren 7 und 8 ist die Vorrichtung so gezeigt, daß die Abscheidung auf der Innenoberfläche des Außenrohres erfolgt. Dabei erfolgt die Verglasung im gleichen Durch-

gang, in dem auch die Rußabscheidung erfolgt.

Eine Vorrichtung kann auch so ausgelegt werden, daß die Rußabscheidung auf der Außenoberfläche des Innenrohres erfolgt. Dann wird die Verglasung erst vorgenommen, wenn das Innenrohr herausgezogen worden ist. Schematisch ist der Aufbau wie in Fig. 7 und 8, nur wird jetzt die Ringspalthöhe größer gehalten und die überwiegende Wärmezufuhr geschieht über die Heizvorrichtung des Außenrohres. Fig. 9 zeigt die zugehörige Anordnung der Heiz- und Kühlvorrichtungen (82) und (82*) sowie den Verlauf der Glaspartikelbahnen (85*), die Abscheidezone (84¹) und die Rußablagerung (87¹).

Bei einem Ausführungsbeispiel zur Innenbeschichtung des Außenrohres wurden Quarzglasrohre mit einem Außendurchmesser von 60 mm bzw. 40 mm verwendet, das Radienverhältnis betrug R /R = 0,71. Das SiCl beinhaltende Sättigungsge-

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faß wurde auf einer konstanten Temperatur von 35 C gehalren und von einem Sauerstoffstrom von 1,8 l/min durchperlt. Um die Umsetzungsreaktion bei dreifachem Sauerstoffüberschuß stattfinden zu lassen, wurde im Bypass ein Sauerstoff strom von 3,6 l/min zugeschaltet.

Die maximalen Temperaturen betrugen auf der Innenwand des Außenrohres 2000 K und auf der Außenwand des Innenrohres 1800 K. Bei einer Ofengeschwindigkeit von 15 cm/min betrug die Abscheiderate bei einer hundertprozentigen Abscheideeffizienz 3,3 g/min. Die Abscheidelänge lag bei 50 mm.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von optischen Gegenständen, insbesondere optischen Wellenleitern nach dem Verfahren der chemischen Dampfabscheidung (CVD-Verfahren)

dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung einer glasbildenden Gasmischung in einem zylindrischen Ringspalt geführt wird, der durch zwei zylindrische, achsparallele Rohre gebildet wird, bei dem sowohl das innere als auch das äußere Rohr mit einer Heiz- und Kühleinrichtung versehen sind, die individuell so geregelt sind, daß eine derartige Temperaturverteilung in der Gasmischung erzeugt wird, daß die Reaktionsausbeute hoch ist, die Abscheidung der sich bildenden Glaspartikel, die zumindest ein Stück von der Strömung mitgenommen werden, praktisch vollständig ist, Abscheideraten von bis zu 10 g/min erreicht werden und die Zusammensetzung der abzuscheidenden Glaspartikel über die Zusammensetzung des Gasgemisches so variiert wird, daß vorgegebene BrechzahlVerteilungen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch (1)

dadurch gekennzeichnet, daß zwei Glasrohre konzentrisch angeordnet werden, der dadurch gebildete Ringspalt axial durchströmt wijrd, und die Heiz- und Kühleinrichtungen des Innen- und Außenrohres synchron axial bewegt und so gesteuert werden, daß sich eine axial begrenzte Heißzone entlang dem Ringspalt bewegt und in dieser eine solche axialsymmetrische Temperaturverteilung erzeugt wird, daß die glasbildende Gasmischung mit hoher Reaktionsausbeute reagiert, sich eine Suspension von Glaspartikeln bildet, die auf der Innenwand des Außenrohres, welches das Substratrohr ist, praktisch vollständig in einer sehr kurzen Abscheidezone niedergeschlagen werden und einen glasigen Niederschlag bilden.

3. Verfahren nach Anspruch (1) und (2)

dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuerung der Temperaturverteilung die Abscheidung der Glaspartikel auf der Außenwand des Innenrohres, welches das Substratrohr ist, erfolgt, und die Verglasung nach Herausziehen des Substratrohres in einem getrennten Verfahrensschritt erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch (1 ) bis (3)
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dadurch gekennzeichnet, daß die Wandtemperaturverteilungen so gesteuert werden, daß die Abscheidung der Glaspartikel auf der Außenwand des Innenrohres und auf der Innenwand des Außenrohres erfolgt, so daß Innen- und Außenrohr Substratrohre sind.

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Laser benutzt werden, die Strömung zusätzlich aufzuheizen und/oder die Glaspartikel zusätzlich so zu führen, daß eine noch höhere Reaktionsausbeute und eine höhere Abscheiderate und/oder kürzere Abscheidezone resultieren.

6^ Verfahren nach Anspruch (1 ), (2), (4) und (5)

dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Substratrohr nach Herausziehen des Innenrohres auf eine Temperatur gebracht wird, die ausreicht, die Öffnung des Rohres zu schließen.
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7. Verfahren nach Anspruch (1), (4) und (5)

dadurch gekennzeichnet, daß in den abgeschiedenen Glaspartikeln eingelagerte Hydroxylgruppen durch Spülung mit Chlorgas entfernt werden, das innere Substratrohr herausgezogen wird, und dann das verbleibende Glaspartikelrohr so weit erhitzt wird, daß es zunächst verglast und dann die Öffnung verschlossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch (6) und (7)

dadurch gekennzeichnet, daß die entstandene Vorform auf die Ziehtemperatür des Materials erhitzt und zu einer optischen Wellenleiter-Faser gezogen wird.

9. Optische Wellenleiter

gekennzeichnet durch das Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche (1) bis (8).

10. Verfahren nach Anspruch (1 ) bis (4)

dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheiderate dadurch proportional zum mittleren Radius der Substratrohre erhöht wird, indem der mittlere Surstratrohrdurchmesser vergrößert wird, alle übrigen Parameter des Verfahrens - insbesondere die mittlere Geschwindigkeit der Gasmischung, die Differenz von Innendurchmesser des Außenrohres und \ußondurchmesser des Innenrohres und das Verhältnis der mittleren Geschwindigkeit der Gasmischung zur Vorschubgeschwindigkeit der Heiz- und Kühlvorrichtungen - konstant gehalten werden.

11. Verfahren nach Anspruch (1) bis (4)

dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Niederschlagsschicht pro Durchgang ohne Änderung von Reaktionsausbeute, Wirkungsgrad und Abscheidelänge dadurch verringert oder vergrößert wird, daß die Breite des Ringspalts verringert oder vergrößert wird, wobei das Produkt aus Breite des Ringspalts und mittlerer Geschwindigkeit des Gasgemisches, die Summe der Radien des inneren und des äußeren Rohres sowie das Verhältnis von mittlerer Gasgeschwindigkeit zur Vorschubgeschwindigkeit der Heiz- und Kühlvorrichtung konstant gehalten und die Heiz- und Kühlleistungen pro Flächeneinheit so eingestellt werden, daß die Wandtemperaturverteilungen relativ zu den Heiz- und Kühlvorrichtungen erhalten bleiben.

12. Vorrichtung zur Herstellung optischer Glasvorformen

außen und/oder innen auf hohlen, zylindrischen Glasrohren, die zu optischen Fasern, insbesondere optischen Wellenleitern gezogen werden können insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche (1) bis (4) sowie (5) bis (10), bei welchem zwei Heiz- und Kühlvorrichtungen zur Erzeugung von bestimmten Temperaturverteilungen und heißen Zonen, Mittel zur Bewegung der Heiz- und Kühlvorrichtungen relativ zur Längsachse der Glasrohre und Mittel zur Zuführung einer strömenden Gasmischung in den von den Glasrohren gebildeten Ringspalt, welche in der heißen Zone zu einer Suspension von Glaspartikeln reagiert, welche in Strömungsrichtung mitgenommen und von welchen der überwiegende Teil an der Innenfläche des äußeren Glasrohres und/oder an der Außenfläche des inneren Glasrohres abgeschieden werden, vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung die synchrone Bewegung der Heiz- und Kühvorrichtungen des inneren und äußeren Glasrohres vorsieht und die Heiz- und Kühlvorrichtungen des inneren und des äußeren Glasrohres so steuert, daß die Temperaturverteilung sich in der Gasmischung so einstellt, daß die glasbildenden Reaktionen und die Glaspartikelbildung in der Nähe der Rohrwände eingeleitet werden, die Glaspartikel von den Wänden durch thermophoretische Kräfte ferngehalten und in einem ringförmigen Schlauch zunächst fokussiert und dann in einer kurzen Abscheidezone an der gewünschten Rohrwand niedergeschlagen werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch (12)

dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Laserstrahlen dazu benutzt werden, die Dampfmischung zusätzlich aufzuheizen, so daß die Reaktionsausbeute erhöht wird und die Glaspartikel zusätzlich so geführt werden, daß die Abscheiderate weiter erhöht und die Abscheidezone weiter

verkürzt wird.