DE4203287C2 - Verfahren zum Kontrollieren des Abstandes zwischen einem Brenner und einer rotierenden, in Achsrichtung verstellbaren Ablagerungsfläche für glasiges Material und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Gattung der Patentansprüche. Die erfindungsgemäß kontrollierten Vorformen können sowohl zu optischen Fasern zur Informationsübertragung als auch zu Stäben, Rohren, Platten, Linsen u. ä. weiterverarbeitet werden.

Bei Verfahren der axialen Ablagerung bzw. Abscheidung von reinem oder dotiertem Siliziumdioxid wird vorzugsweise ein Brenner (HF-Plasma-; H₂/O₂-; Methan/O₂-Brenner) oder auch eine Abscheidedüse, durch die bereits vorreagiertes Gemisch strömt, auf eine auf einem Tragkörper befindliche Ablagerungsfläche gerichtet, die im allgemeinen die Frontfläche der optischen Vorform ist. Im Falle eines Brenners enthält die Flamme auf­ bereitetes reines oder dotiertes Quarzmehl oder eine thermisch zersetzbare Siliziumverbindung und Sauerstoff oder diese Siliziumverbindung, Sauerstoff und geeignete Dotierstoffe. Die Ablagerungsfläche ist mit dem Tragkörper um eine mit der optischen Achse der Vorform zusammenfallende Achse drehbar und parallel zu dieser Achse verstellbar. Im Verlauf des Verfahrens wächst auf dem Tragkörper ein rotationssymmetrischer Zylinder aus reinem oder dotiertem Siliziumdioxid auf, dessen Ablagerungsfläche konvex gewölbt ist und der zu unterschiedlichen Zwecken verwendet werden kann. Unabhängig davon, ob sofort oder erst in Nachfolgeschritten ein völlig blasenfreier Glaskörper entsteht, ist von entscheidender Bedeutung für die Brechzahlhomogenität, insbesondere die Schichtenfreiheit, die Einhaltung eines weithin konstanten Abstandes zwischen dem Brenner und der Ablagerungsfläche bzw. die Einhaltung der mit der Aufwachs- bzw. Ablagerungsgeschwindigkeit schritthaltenden Verstellung des Tragkörpers. Das Verfahren der rein manuellen Verstellung bzw. Korrektur hat sich hierfür als ungeeignet erwiesen, weil dabei nur in gewissen zeitlichen Abständen Kontrollen und Justierungen vorgenommen werden. Die zeitlichen Abstände sind aber aus Effektivitäts- und Rentabilitätsgründen zu lang, um Schichtungen vermeiden zu können.

Aus der US-PS 44 19 116 sind ein Verfahren und ein Apparat zur Herstellung von Vorformen für optische Fasern bekannt, die das Verfahren der axialen Ablagerung von Silizium aus der Gasphase (VAD) nutzen. Bei dieser Anordnung wird das Licht einer Laser­ lichtquelle in zwei Signalstrahlengänge geteilt, die recht­ winklig zur Aufschmelzrichtung der Vorform gerichtet sind. Der eine Signalstrahlengang tangiert die Vorform, der andere pas­ siert den Zwischenraum zwischen Vorform und Brenner. Jeder Signalstrahlengang gelangt auf einen Empfänger in einer Empfangseinheit. Die in den Empfängern erzeugten Signale wer­ den verglichen und müssen ein bestimmtes Intensitätsverhältnis zwischen den Signalstrahlengängen widerspiegeln. Eine Abwei­ chung von dem Intensitätsverhältnis setzt einen Motor ent­ sprechender Drehrichtung zur Veränderung des Abstandes der Vorform vom Brenner in Gang. Der Nachteil dieser Anordnung ist in ihrer Aufwendigkeit und in der real möglichen fehlerhaften Beeinflussung des Meßergebnisses durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Signalstrahlengänge gegeben. Die Benutzung von vier Spiegeln und zwei Empfängern erhöht nicht nur den Aufwand der Anordnung, sondern auch ihre Fehlermöglichkeiten. In Optical Fiber Communications, Vol. 1, Fiber Fabrication, Tingye Li, Academic Press, Inc. London 1985 wird das VAD- Verfahren beschrieben. Auf den Seiten 136 und 137 wird darge­ stellt, daß zur Steuerung des Profils des Brechungsindex eine Fernsehkamera und entsprechende Sensoren eingesetzt werden, die nicht nur den Abstand zwischen Vorform und Brenner, son­ dern auch die Anteile von Sauerstoff, Wasserstoff und Auf­ schmelzmitteln sowie Temperatur- und Atmosphärenwerte eingehen lassen. Dieser Aufwand erscheint unverhältnismäßig hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur einfa­ chen und sicheren automatischen Berücksichtigung bzw. Kon­ stanthaltung des Abstandes zwischen Vorform und Brenner zu schaffen, das einen geringen technischen Aufwand benötigt und darüber hinaus Schwankungen des Brennerverhaltens und der Zuführung des Aufschmelzmittels in gewissen Grenzen zu berück­ sichtigen gestattet. Eine mit Hilfe der Erfindung im Hochtemperaturprozeß gefertigte Vorform soll homogen und im verglasten Zustand frei von Brechzahländerungen in Aufschmelzrichtung sein und über ihre gesamte Länge im wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Erfindung ermög­ licht, mit nur einem Sender und nur einem Empfänger auszukom­ men, die in Höhe der Ablagerungsfläche quer zur Rotationsachse angeordnet sind. Fremdlichteinflüsse, insbesondere von Bren­ nerflamme und Ablagerungsfläche, werden überraschenderweise durch die Verwendung gepulsten Lichtes und einer möglichen Synchronisation zwischen Sender und Empfänger unterdrückt, dabei kann die Intensität des Fremdlichtes um mehrere Zehner­ potenzen über der des gepulsten Lichtes liegen. Die Verwendung gepulster Lichtsignale läßt das erfindungsgemäße Verfahren auch dann wirksam sein, wenn die Wellenlänge der von einem Sender ausgehenden Lichtsignale mit der Wellenlänge des von der glühenden Ablagerungsfläche bzw. der Brennerflamme mit grober Intensität abgestrahlten Lichtes übereinstimmt oder innerhalb des Wellenlängenbereichs der Abstrahlung liegt. Wichtig ist, daß gepulste, intensitätsmodulierte Lichtsignale vom Sender ausgehen, die für den Empfänger erfaßbar sind. Unwichtig sind deren Wellenlänge und die Öffnung des Abstrah­ lungswinkels. Grundsätzlich muß das gesendete gepulste Licht nicht als paralleles oder nahezu paralleles Lichtstrahlenbün­ del gesendet werden; jedoch kann dies bei minimalen Intensitä­ ten des gesendeten Lichtes von Bedeutung sein. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, dem Sender und/oder Empfänger optische Filter zuzuordnen, wodurch nur Licht eines engen Wellenlängenbereichs einschließlich der Senderwellenlänge zur Erfassung der Lichtintensitätspulsation verwendet wird.

Wenn die Verstellgeschwindigkeit der Ablagerungsfläche vom Brenner weg größer ist als das Anwachsen der Ablagerung auf der Ablagerungsfläche, wird die Verstellung unterbrochen, sobald die Vorform weniger als einen festgelegten Teil des gesendeten Lichtwellenbündels verdeckt. Dabei kann es sich um Bruchteile eines Millimeters handeln, eine Genauigkeit, die visuell nicht erreichbar ist. Wird durch das Aufschmelzen der Vorform mehr als ein festgelegter Teil des Meßstrahlenbündels verdeckt, erfolgt eine erneute Verstellung des Tragkörpers und damit der Ablagerungsfläche, so daß der Abstand zwischen Ab­ lagerungsfläche und Brenner in sehr engen Toleranzen gleich gehalten wird. Vorteilhaft ist die Verstellgeschwindigkeit der Ablagerungsfläche zur Erreichung einer maximalen Genauigkeit variierbar und an die Aufschmelzgeschwindigkeit der Vorform in geeigneter Weise anpaßbar.

Damit nicht jede geringfügige Unregelmäßigkeit im Aufwachs­ prozeß bzw. in der Gestalt der Ablagerungsfläche eine Verstel­ lung bewirkt, werden die Signale vom Empfänger an den zuge­ hörigen Stellmotor mit einer Zeitverzögerung weitergegeben. Sender und Empfänger können durch die Verwendung von Licht­ leitkabeln an technologisch günstigen Positionen und justier­ bar angebracht werden, so daß sie einerseits vom heißen Be­ reich des Aufschmelzens entfernt liegend angeordnet sind und andererseits eine beliebige Tangente der rotationssymmetrischen Aufschmelzzone meßtechnisch erfaßt werden kann. Durch die Erfindung wird allgemein erreicht, daß der Aufschmelzzone bzw. der Ablagerungsfläche eine kontinuierliche thermische Leistung über den Schmelzzeitraum zugeführt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht und

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt, der zwischen Brenner und Ablage­ rungsfläche, in unmittelbarer Nähe der Ablage­ rungsfläche liegt.

In Fig. 1 ist auf einer Basis 1 ein erster Motor 2 fest angebracht, der eine Welle 3 mit einem Futter 4 in Richtung eines Pfeiles 5 zur Rotation antreibt. In das Futter 4 ist ein Tragkörper 22 eingespannt, an dessen freie Endfläche 6 eine Vorform 7 aufgeschmolzen ist. Dem Aufschmelzen dient ein Bren­ ner 8, dem einerseits Brenngas 9, z. B. H₂ und O₂, und anderer­ seits Aufschmelzmaterial 10, z. B. mit SiCl₄ beladener Sauer­ stoff zugeführt werden. Dabei kommt es zu einer Reaktion zwischen dem reichlich zugeführten O₂ und dem SiCl₄ und zur Bildung von SiO₂, das sich an der ca. 2000°C heißen Abla­ gerungsfläche 11 fortlaufend niederschlägt. Der Brenner 8 und die von ihm ausgehende Flamme 12 sind gegenüber der Rotations­ achse X-X definiert versetzt, so daß es möglich ist, eine Vorform 7 mit relativ grobem Durchmesser aufzuschmelzen.

Einerseits zur Rotationsachse X-X ist in einem gewissen Ab­ stand ein Sender 13 eines Lichtstrahlenbündels 14 angeordnet, dessen Achsstrahl 15 die gekrümmte Ablagerungsfläche 11 in ihrem Schnittpunkt mit der Rotationsachse X-X tangiert und zur Rotationsachse rechtwinklig gerichtet ist. Andererseits zur Rotationsachse X-X ist ein Empfänger 16 angeordnet, der mit dem Sender 13 korrespondiert und mit diesem zum Achsstrahl 15 die gleiche Lage hat. Der Empfänger 16 wandelt die vom Sender 13 empfangenen Lichtsignale in elektrische um, die in einem Verzögerungsglied 17 verzögert und verstärkt einem zweiten Motor 18 zugeführt werden. Der Motor 18 treibt über ein Ritzel 19 eine an der Basis 1 befestigte Zahnstange 20 zur Verschie­ bung in einer durch einen Pfeil 21 gekennzeichneten Richtung an.

Der Aufschmelz- oder Ablagerungsprozeß gestaltet sich wie folgt:

Zunächst wird der z. B. aus Quarzgut oder -glas bestehende Tragkörper 22 in das Futter 4 eingespannt und die Basis 1 in eine solche Lage gefahren, in der die Endfläche 6 den Achs­ strahl 15 enthält. Danach wird der Tragkörper 22 durch den Motor 2 in Drehungen versetzt, so daß er bspw. 60 Drehungen pro Minute ausführt. Ebenso wird der Brenner 8 in Betrieb genommen und die Endfläche 6, die zu Beginn auch Ablagerungs­ fläche ist, erhitzt. Es erfolgt die Abscheidung bzw. Ablage­ rung von SiO₂, und es wächst die Vorform 7 rotationssymme­ trisch zur Achse X-X. Dabei wird die Basis 1 durch den Motor 18 so verstellt, daß der Achsstrahl 15 immer die Ablagerungs­ fläche 11 im wesentlichen tangiert. Da die Verstellgeschwin­ digkeit der Basis 1 etwas größer ist als die Geschwindigkeit des Aufschmelzens der Vorform 7, wird die Ablagerungsfläche 11 zunächst um einen Betrag von z. B. 0,2 mm geringfügig neben dem Achsstrahl 15 zu liegen kommen. Wächst die Vorform 7 wieder über den Achsstrahl 15 in Richtung des Brenners 8 um 0,2 mm hinaus, verstellt der Motor 18 die Basis 1 so lange, bis sie um 0,2 mm vor dem Achsstrahl liegt usw.. Der Steuerung dieser intervallartigen Verstellbewegung dient der Sender 13, der hinsichtlich der Intensität pulsierendes Licht in einen Licht- oder Meßstrahlenbündel 14 mit einem Öffnungswinkel von bspw. 50° aussendet, das mit einer Frequenz von bspw. 4-8 kHz pulsiert. Die Pulsationsfrequenz ist also wesentlich größer als die Rotationsfrequenz des Tragkörpers 22 und damit der Vorform 7. Unterbricht die Vorform 7 den Achsstrahl 15 zum Empfänger 16, ist also die Intensität des empfangenen Lichtes zu gering, so bewirken im Empfänger 16 ausgelöste Signale, die im Verzögerungsglied 17 bspw. um 1-10 sec verzögert werden, ein Einschalten des Motors 18 zur Durchführung der Verstellbe­ wegung. Wird der Achsstrahl 15 nicht unterbrochen, bewirken die im Empfänger 16 ausgelösten Signale ein Ausschalten des Motors 18 und damit einen Stopp der Verstellbewegung. Dieser Vorgang wiederholt sich während des gesamten Aufschmelzpro­ zesses.

In Fig. 2 sind die wesentlichen, vom ersten Ausführungsbei­ spiel abweichenden Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbei­ spiel dadurch, daß Sender 13 und Empfänger 16 in einem gemein­ samen Sensor 23 zusammengefaßt sind, ein Lichtleitkabel 24 zu einem Sendekopf 25 und ein weiteres Lichtleitkabel 26 von einem Empfangskopf 27 zum Sensor 23 geführt ist. Zwischen Sendekopf 25 und Empfangskopf 27, die zum Achsstrahl 15 gleich liegen, befindet sich die Ablagerungsfläche 11 der im übrigen verdeckten, zur Achse X-X rotationssymmetrischen Vorform 7. Die Wirkungsweise einer derart ausgestatteten erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ist dieselbe wie zu Fig. 1 beschrieben.

Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden ist und die in der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen enthal­ tenen Merkmale beliebig miteinander in erfindungsgemäßer Weise kombinierbar sind.

Brenngas 9 und Aufschmelzmaterial 10 sind nicht an die zu Fig. 1 bspw. genannten Materialien gebunden. Auch kann der Achs­ strahl 15 im Rahmen der Krümmung der Ablagerungsfläche 11 gegenüber der Rotationsachse X-X geneigt sein. Anstelle der dargestellten Parallelität von Brennerachse und Rotationsachse X-X der Vorform 7 kann zwischen beiden auch ein spitzer Winkel bestehen. Der Brenner 8 kann mit H₂/O₂ betrieben werden; er kann aber auch ein HF-Plasmabrenner oder eine Ausströmdüse für ein zuvor gebildetes SiO₂-Gasgemisch sein. Zur Synchronisierung der Impulsgabe des Senders 13 mit der Empfangsbereitschaft des Empfängers 16 sind geeignete elektrisch/elektronische Mittel vorgesehen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Kontrollieren des Abstandes zwischen einem Brenner und einer rotierenden, in Achsrichtung verstellbaren Ablagerungsfläche für glasiges Material während des Aufschmelzens durch optoelektronische Mittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerungsfläche für das glasige Material durch den Achsstrahl eines ausschließlich gepulsten Lichtstrahlenbündels berührt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellgeschwindigkeit der Ablagerungsfläche größer als das Anwachsen der Ablagerung auf der Ablagerungsfläche ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Ablagerungsfläche zeitlich verzögert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz des Lichtstrahlenbündels größer als die Rotationsfrequenz der Ablagerungsfläche gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerflamme außerhalb der Rotationsachse auf die Ablagerungsfläche geführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Empfänger und einen Sender als optoelektronische Mittel mit einem gemeinsammen Achsstrahl.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch elektromechanische Mittel mit einem Stellmotor für die Verstellung der Ablagerungsfläche, wobei der Stellmotor mit dem Empfänger über ein Verzögerungsglied sowie einen Verstärker verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerungsfläche zwischen einem Sendekopf und einem Empfänger angeordnet ist, die mit einem Sender und Empfänger umfassenden Sensor über Lichtleitkabel verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel zur Synchronisierung von Sender und Empfänger.