DE3704054A1 - Verfahren zum kollabieren eines glasrohres, insbesondere fuer die herstellung von lichtwellenleitern in form von glasfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kollabieren eines Glasrohres, insbesondere für die Herstellung von Glasfasern für die optische Nachrichtentechnik, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Lichtwellenleiter aus Glas für die optische Nachrichtentechnik, insbesondere aus Quarzglas, werden aus zylindrischen Vorformen gezogen, die durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt werden. Je nach Abscheidegeometrie unterscheidet man zwischen Innenabscheidung auf der Innenwand eines Glasrohres aus bei­ spielsweise Quarzglas, Außenabscheidung auf die Umfangsfläche eines Hilfsstabes und Axialabscheidung auf die Stirnfläche eines Stabes. Typische Beispiele für die Innenabscheidung sind das MCVD-Verfahren und das PCVD-Verfahren. In der Literatur werden die Außenabscheidungs-Verfahren als OVD-Verfahren und die Axialabscheidungs-Verfahren als VAD-Verfahren bezeichnet.

Während man beim VAD-Verfahren direkt zum Vollzylinder gelangt, erhält man bei der Innenabscheidung zunächst ein Rohr mit einem Durchmesserverhältnis von typisch 1,2 bis 1,4 zwischen dem Außen- und Innendurchmesser des Rohres. Beim OVD-Verfahren verbleibt nach Entfernen des Hilfsstabes ein poröser Hohlzylin­ der, der beim Sintern wiederum zum Glasrohr führt, falls nicht besondere Maßnahmen getroffen werden.

Vor dem Faserziehen müssen die Rohre kollabiert werden. Ein Kollabieren beim Ziehen würde häufig zu unsymmetrisch verform­ ten oder nur teilweise kollabierten Fasern mit axialen Gasein­ schlüssen führen. Durch Innenabscheidung hergestellte Rohre werden daher direkt nach der Abscheidung durch Beheizung mit dem Gasbrenner von außen bei geregeltem Innendruck kollabiert. Dabei wird das Rohr gedreht und die Heizzone am Rohr entlangge­ führt (siehe dazu Optical Fiber Communications, Vol. 1, Fiber Fabrication, Ed. Tingye Li Acad. Press, Orlando, 1985, S. 26 ff.) Dieses Verfahren ist ein Verfahren der eingangs genannten Art.

Rohre, die eine Innenschicht aus Glas mit geringer Viskosität, beispielsweise durch Phosphor- oder hohe Germaniumoxid-Dotie­ rung aufweisen, lassen sich in der Regel gut kollabieren. Die gewünschte Wellenleiterstruktur erlaubt jedoch nicht in jedem Fall die Verwendung niederviskoser Gläser. Besonders Rohre mit reiner SiO₂-Innenschicht und einer brechzahlsenkenden Dotierung im Fasermantel, wie beispielsweise Fluor oder Boroxid, zeigen nur geringe Neigung zum Schrumpfen bzw. Kollabieren. Hier muß in einer langwierigen Prozedur mehrfach beheizt werden. Dabei wird der Brenner langsam am Rohr entlanggeführt. Die notwendige Überheizung der Rohroberfläche verursacht dann eine erhebliche Verdampfung des Außenmaterials. Wie die Erfahrung zeigt, ist es praktisch unmöglich, durch Verwendung dickwandiger Rohre dickere Stäbe herzustellen. Durch verstärkte Verdampfung beim Kollabieren resultieren wiederum dünne Faservorformen. Der un­ günstige radiale Temperaturgradient begünstigt ebenfalls in unerwünschter Weise die Hydroxyl- oder Wasserdiffusion vom verunreinigten Substratrohr in Richtung Kernschichten.

Ähnlich ist die Problematik beim OVD-Prozeß. Die Rohre, die zunächst nach dem Sintern erhalten werden, lassen sich eben­ falls kaum zur massiven Faser ausziehen. Ein Kollabieren vor dem Faserziehen ist daher auch hier wünschenswert. Das Kolla­ bieren wird bei diesem Verfahren in der Regel simultan mit dem Sintern der Vorform durchgeführt (siehe dazu Optical Fiber Communications, Vol. 1, Fiber Fabrication, Ed. Tingye Li, Acad. Press, Orlando, 1985, S.78 ff). Dies wird durch ein geeigne­ tes Viskositätsprofil mit abnehmender Viskosität nach innen durch P₂O₅-Kodotierung erreicht. Kollabieren gleichzeitig mit dem Sintern hat auch den Vorteil, daß massive Stäbe weniger leicht springen als Rohre mit hochdotierter, unter Zugspannung stehender Innenschicht. Die P₂O₅-Kodotierung kann jedoch äußerst nachteilig für die Wellenführung in der Faser sein.

Man könnte rohrförmige OVD-Vorformen auch durch eine dünne Innenschicht aus reinem SiO₂ mit niedrigem Ausdehnungskoeffi­ zienten vor dem Glasbruch nach dem Sintern schützen. Dann könnte auf die aus verschiedenen Gründen nachteilige P₂O₅- Kodotierung verzichtet werden. Dies verbietet sich jedoch, da sich derartige Rohre mit zäher Innenschicht wiederum kaum oder nur schwer kollabieren lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich Glasrohre mit zäher Innenschicht, beispielsweise einer Innenschicht aus SiO₂, relativ leicht und schnell kollabieren lassen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 die Innenfläche der Schrumpfzone zusätzlich beheizt wird.

Bevorzugter und vorteilhafterweise wird gemäß Anspruch 2 die Innenfläche der Schrumpfzone mit einer Infrarot-Laserstrahlung zusätzlich beheizt, wobei es sich empfiehlt, die Laserstrahlung gemäß Anspruch 3 in Längsrichtung des offenen Rohres auf die Innenfläche der Schrumpfzone zu leiten. Als Laserstrahlung ist die eine Wellenlänge von 10,6 µm aufweisende Strahlung eines CO₂-Lasers besonders geeignet (Anspruch 4).

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß ein zusätzli­ ches Beheizen mit einer Infrarot-Laserstrahlung aus der DE-OS 34 19 275 (VPA 84 P 1388) bekannt ist. Dort wird jedoch die Infrarot-Laserstrahlung nicht zum zusätzlichen Beheizen der Innenfläche einer Schrumpfzone verwendet, sondern zum Unter­ stützen einer chemischen Reaktion in einer Reaktionszone während einer Innenabscheidung.

Anstelle oder zusätzlich zur Verwendung einer Infrarot-Laser­ strahlung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gemäß Anspruch 5 die Innenfläche der Schrumpfzone mit Hilfe einer Mikrowellenstrahlung zusätzlich beheizt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Mikrowellenresonators.

Als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich erwiesen, daß sich durch das zusätzliche Beheizen die Kollabierungsgeschwindigkeit drastisch erhöhen läßt. Besonders günstig ist dies bei Rohren mit zäher Innenschicht aus reinem SiO₂. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren konnten Vorformen für Lichtleitfasern mit reinem SiO₂-Kern und mit Fluorid dotiertem Mantel durch einmaliges Überschmelzen, d.h. einem einzigen Schmelzzyklus, bei dem die Heizzone das Rohr in Längs­ richtung ein einziges Mal durchwandert, kollabiert werden, wo­ für sonst sechs bis acht Schmelzzyklen erforderlich wären.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch günstig hinsichtlich des OH-Gehaltes des Glases und damit der Faserdämpfung. In der Regel wird der Gasphase im Rohr halogenhaltiges Gas zugesetzt, beispielsweise Chlorgas. Bei der Kollabierungstemperatur reagiert Chlor mit Wasser zu gasförmigem Chlorwasserstoff, der im Glas unlöslich ist (siehe dazu 9th Europ. Conf. Opt. Comm., ECOC "83, Genf, 1983, Conf. Proc., S. 17-20). Im Falle der Ausbildung eines schmelzflüssigen Innenfilms wird die Ein­ stellung des Gleichgewichtes zwischen gelöstem und gasförmigem Wasser wesentlich beschleunigt. Dies ermöglicht eine effekti­ vere Trocknung des Kernmaterials beim Kollabieren, was beson­ ders bei Monomodefasern wegen des kleinen Kerndurchmessers zu einer merklichen Verringerung der OH-induzierten Faserdämpfung führt.

Vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 6 die Innenfläche der Schrumpfzone mit einem reaktiven Gas, beispielsweise mit einem Fluorkohlenwasserstoff oder einer Fluorschwefelverbindung be­ handelt wird. Dieses Verfahren ist prinzipiell aus der DE-OS 30 31 160 (VPA 80 P 7125 DE) bekannt und wäre hier besonders dann anzuwenden, wenn die zähe SiO₂-Innenschicht zunächst aus Gründen der besseren Rohrhandhabung und nicht aus Gründen der Wellenführung aufgebracht worden ist.

Vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 7 das Rohr beim Kolla­ bieren unter zusätzlich beheizter Innenfläche der Schrumpfzone zu einem Dünnstab ausgezogen wird, der sich dann im Ziehofen leichter zur Faser ausziehen läßt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 8 das Rohr beim Kollabieren unter zusätzlich beheizter Innenfläche der Schrumpfzone zugleich zur Faser ausgezogen wird. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.

Die Methode des Kollabierens bei gleichzeitigem Dünnziehen kann immer dann vorteilhaft angewendet werden, wenn wegen der Dicke der Vorform oder des ungünstigen materialbedingten Vis­ kositätsprofils, beispielsweise bei einem SiO₂-Kern eine für einen schonenden Fließprozeß hinreichende Aufheizung des Kerns der Vorform durch eine externe Heizvorrichtung allein nicht möglich ist.

Die Erfindung wird anhand der Figuren in der nun folgenden Be­ schreibung beispielhaft näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen Längsschnitte durch die Schrumpfzone von drei innenbeschichteten Quarzglasrohren beim Kollabieren zu massiven Vorformen für optische Glasfasern, wobei die Fig. 1 und 2 Schrumpfzonen bei herkömmlicher Kollabierung und die Fig. 3 eine Schrumpfzone beim Kollabieren mit zusätzlicher Beheizung der Innenfläche der Schrumpfzone zeigt.

Bei allen drei Figuren wird die Schrumpfzone 5 durch eine von außen durch die äußere Umfangsfläche 11 des Quarzglasrohres 1 einwirkende Heizzone 10 erzeugt. Längs der Schrumpfzone 5 geht das offene Rohr 1 in eine geschlossene Vorform 4 über.

Die Heizzone 10 und das Rohr 1 werden in Längsrichtung 12 des Rohres 1 relativ zueinander mit einer Geschwindigkeit bewegt, bei der die Schrumpfzone 5 mit der Heizzone 10 durch das Rohr 1 wandert.

Die Heizzone 10 wird in herkömmlicher Weise durch eine bekann­ te, das Rohr 1 ringförmig umgebende Heizeinrichtung 3 erzeugt, die nur schematisch angedeutet ist und auf die nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Bei herkömmlicher Verfahrensweise, wie sie bei den Fig. 1 und 2 angenommen ist, bildet sich eine Schrumpfzone 5 mit einer Innenfläche 51 bzw. 52 in Form einer Hohlspitze aus, die je nach Viskosität der auf die innere Umfangsfläche 13 aufgebrach­ ten Innenschicht 2 bzw. Innenschichten 2 und 6 mehr oder weniger spitz ist.

Bei der Fig. 1 ist angenommen, daß eine oder mehrere phosphor­ dotierte und damit weniger zähe Innenschichten 2 vorhanden sind. In diesem Fall wird eine abgerundete Spitze 510 der konischen Innenfläche 51 der Schrumpfzone 5 erhalten. In diesem Fall ist die Kollabierungsgeschwindigkeit hoch.

Bei der Fig. 2 ist angenommen, daß auf die phosphordotierte Innenschicht 2 noch eine zähe Innenschicht, beispielsweise aus reinem SiO₂, aufgebracht ist. Hier wird, wie generell bei Rohren mit zäher Innenschicht, eine sehr spitz zulaufende konische Innenfläche 52 der Schrumpfzone 5 beobachtet, deren Spitze in der Fig. 2 mit 520 bezeichnet ist. Derart spitze Schrumpfzonen können zu engen Kapillaren führen. In diesem Fall ist die Schrumpf- bzw. Kollabierungsgeschwindigkeit klein.

Bei der Fig. 3 weist das Rohr 1 die gleiche Beschichtung wie das Rohr 1 nach Fig. 2 auf. Im Unterschied zu den Fig. 1 und 2 wird die Innenfläche 53 der Schrumpfzone 5 in längsaxia­ ler Richtung des Rohres 1 zusätzlich mit der Laserstrahlung 8 eines CO₂-Lasers bestrahlt. Die dadurch bedingte starke Auf­ heizung durch die Absorption der 10,6 µm-Strahlung dieses Lasers führt zu einem dünnen schmelzflüssigen Innenfilm aus SiO₂, wodurch die ohne diese zusätzliche Aufheizung spitz zulaufende Innenfläche der Schrumpfzone 5 rasch verrundet und die abgerundete konische Innenfläche 53 der Schrumpfzone 5 bildet.

Voraussetzung ist, daß das Rohr 1 zunächst mit Hilfe der Heiz­ zone 10 teilweise vorkollabiert wird, damit die axial ein­ fallende Strahlung 8 absorbiert werden kann. D.h. es wird mit Hilfe der Heizzone eine Schrumpfzone erzeugt, die eine sich verjüngende Innenfläche aufweist, auf welche die Laserstrahlung trifft und von der sie absorbiert wird. In dieser anfänglichen Schrumpfzone muß das Rohr noch nicht in eine geschlossene Form übergehen, sondern es reicht ein Übergang zu einem geringeren Innendurchmesser aus, der so klein zu wählen ist, daß sich das Rohr durch die zusätzliche Laserbeheizung schließen kann. Die durch die Laserstrahlung erzeugte extreme Temperatur kann an dem intensiven weißen Glühen einer Oberflächenschicht des Gla­ ses im Bereich der Innenfläche 53 der Schrumpfzone 5 erkannt werden.

Ein nennenswerter SiO₂-Abdampfverlust durch Überheizung wurde nicht beobachtet. Man könnte dem auch durch rasches Verschieben der externen Heizzone 10 in Richtung des offenen Rohrendes, in der Fig. 3 also in Richtung nach oben, entgegenwirken, wodurch ein rasches und gleichmäßiges Nachfließen des Glases erzielt würde.

Es konnten auf diese Weise Vorformen für Lichtleitfasern mit reinem SiO₂-Kern und mit fluoriddotiertem Mantel durch einmali­ ges Überschmelzen kollabiert werden, wofür sonst sechs bis acht Schmelzzyklen erforderlich wären, von denen erst der letzte zur eigentlichen Kollabierung führt, bei welcher in der Schrumpf­ zone das offene Rohr in die geschlossene Form übergeht.

Wird das Rohr nur zum Stab kollabiert, wird es bevorzugterweise horizontal angeordnet und gedreht, wobei es an beiden Enden gehaltert wird, beispielsweise in einer Glasdrehbank.

Wird das Rohr beim Kollabieren zum Dünnstab ausgezogen, kann es sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet und auch gedreht werden, wobei es vorzugsweise an beiden Enden gehaltert wird und die Enden während des Kollabierens mit einer bestimmten Zugspannung auseinandergezogen werden.

Wird das Rohr beim Kollabieren gleich zur Faser ausgezogen, empfiehlt sich die vertikale Stellung und einseitiges Ein­ spannen des Rohres. Die Faser wird von der zusätzlich beheiz­ ten Schrumpfzone abgezogen, längs der das Rohr in eine geschlossene Form übergeht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Kollabieren eines Glasrohres (1), insbesondere für die Herstellung von Lichtwellenleitern in Form von Glasfa­ sern, wobei in dem Rohr (1) durch eine von außen durch dessen äußere Umfangsfläche (11) einwirkende Heizzone (10) eine Schrumpfzone (5) erzeugt wird, längs der das Rohr (1) verengt wird, und wobei die Heizzone (10) und das Rohr (1) in Längs­ richtung (12) des Rohres (1) relativ zueinander mit einer Ge­ schwindigkeit bewegt werden, bei der die Schrumpfzone (1) mit der Heizzone (10) durch das Rohr (1) wandert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenfläche (53) der Schrumpfzone (5) zusätzlich beheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenfläche (53) der Schrumpfzone (5) mit einer Infrarot-Laserstrahlung (8) zusätzlich beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laserstrahlung (8) in Längsrichtung (12) des Rohres (1) auf die Innenfläche (53) der Schrumpfzone (5) geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenfläche (53) der Schrumpfzone (5) mit der eine Wellenlänge von 10,6 µm aufwei­ senden Strahlung eines CO₂-Lasers beheizt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (53) der Schrumpfzone (5) mit Hilfe einer Mikrowellenstrahlung zusätzlich beheizt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innen­ fläche (53) der Schrumpfzone (5) mit einem reaktiven Gas be­ handelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) beim Kollabieren unter zusätzlich beheizter Innenfläche (53) der Schrumpfzone (5) zu einem Dünnstab (4) ausgezogen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) beim Kollabie­ ren unter zusätzlich beheizter Innenfläche (53) der Schrumpf­ zone (5) zugleich zur Faser (4) ausgezogen wird.