DE4209004C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Lichtwellenleiter-Vorform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleiter-Vorform für einen Lichwellenleiter, dessen Kern mit einem Seltenerd-Element dotiert ist und bei dem Kern und Mantel des Lichtwellenleiters durch Abscheidung von Glasschichten auf ein Substratrohr aus der Gasphase erzeugt werden.

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung sogenannter Faser-Verstärker, Verstärker-Lichtwellenleiter oder auch Filterfasern, wenn der Kern des Lichtwellenleiters mit den entsprechenden Elementen dotiert ist. Das sind Lichtwellenleiter, welche die Eigenschaft besitzen, das im Lichtwellenleiter geführte Licht zu verstärken. Als für diesen Zweck geeignete Lichtwellenleiter sind solche bekannt geworden, deren Kern mit einem Stoff, meist einem Element aus der Periodenreihe der Seltenen Erden, dotiert ist, welcher in dem für die Nachrichtenübertragung verwendeten Wellenlängenbereich eine ausgeprägte Fluoreszenz aufweist. Ein Beispiel für einen solchen Stoff ist Erbium (Er), dessen Fluoreszenzbande den Wellenlängenbereich des Fensters 1520-1580 nm überstreicht und das bei 800 nm, 980 nm und 1480 nm für die Verstärkungseigenschaft wichtige Pumpbanden besitzt.

Bei den Dotierungsstoffen handelt es sich um schwerflüchtige Feststoffe und es ist daher schwierig, aus ihnen für die großtechnische Anwendung geeignete gasförmige Komponenten für das bei der Herstellung von Lichtwellenleitern verwendete MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapour Deposition = Abscheidung von chemischen Stoffen aus der Gasphase) zu erzeugen.

Es ist ein Verfahren bekannt ("A Review of the Fabrication and Properties of Erbium-Doped Fibers for Optical Amplifiers" im Journal of Lightwave Technology, Vol. 9, No. 2, Febr. 1991, Seiten 220- 227), bei dem der Seltenerd-Dotierungsstoff in eine poröse Glasschicht eingebracht wird, aus welcher er bei Bedarf durch Erhitzen freigesetzt und zur Dotierung einer auf dem Substratrohr abgeschiedenen Kernglasschicht verwendet wird. Bei dem bekannten Verfahren und der dafür verwendeten Vorrichtung kann nicht ausgeschlossen werden, daß bereits beim Erzeugen der Mantelschichten des Lichtwellenleiters Seltenerd-Elemente enthaltende Partikel im Gasstrom mitgerissen werden und daher zu einer unerwünschten Verunreinigung der abgeschiedenen Schichten führen. Darüberhinaus ist das gleichzeitige Einbringen der für die Fluoreszenzbanden-Form wichtigen Aluminiumverbindung bei dem bekannten Verfahren nicht beschrieben.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gasförmigen Stoffes anzugeben, welcher einen von Hause aus schwerflüchtigen Stoff zur Dotierung des Kerns eines Verstärker-Lichtwellenleiters enthält. Verfahren und Vorrichtung sollen sich in einfacher Weise in das MCVD-Verfahren und die für dessen Durchführung verwendete Vorrichtung einfügen lassen und in der Weise gestaltet sein, daß eine unerwünschte Freisetzung von Seltenerd-Elementen sicher verhindert wird.

Dieses technische Problem ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus wenigstens einer Seltenerd-Verbindung und einem Komplexbildner durch Erhitzen ein Komplex gebildet wird, welcher in das Substratrohr eingeleitet und aus dem eine mit Seltenerd-Elementen dotierte künstliche Kernglasschicht erzeugt wird.

Aus den Druckschriften US-PS 47 87 927 und EP 0 371 629 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen eine Lichtwellenleiter-Vorform hergestellt wird. Kern und Mantel des späteren Lichtwellenleiters werden durch Abscheidung von Glasschichten auf einem Substratrohr aus der Gasphase erzeugt. Die Kernglasschicht ist dabei mit einem Seltenerd-Element dotiert. Zur Herstellung der Dotierung wird dabei eine wasserfreie Seltenerd-Verbindung erzeugt, diese verdampft und in das Substratrohr geleitet. Die gleichmäßige Verteilung der Dotierung ist bei einem solchen Verfahren nicht gegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein effektiver Einbau von Seltenerd-Elementen in die Kernschicht des Lichtwellenleiters ohne großen Aufwand zu verwirklichen. Es ist bei den bereits vorhandenen Vorrichtungen zur Durchführung des MCVD-Verfahrens verwendbar und führt bei Vermeidung der Einbringung und des Einschlusses von schädlichen Feststoffpartikeln oder Oxiden zu fehlerfreien Lichtwellenleiter-Vorformen. Die auf diese Weise hergestellten Lichtwellenleiter-Vorformen können auch in dem sogenannten Sleeving-Verfahren eingesetzt werden, um aus einer Lichtwellenleiter-Vorform einen Lichtwellenleiter großer Länge ohne Unterbrechung herzustellen.

Vorteilhafte Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 enthalten. Die Erfindung ist nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform dieser Vorrichtung.

Es ist bekannt, daß die Herstellung einer Lichtwellenleiter-Vorform nach dem MCVD-Verfahren in der Weise abläuft, daß ein in eine Glasdrehbank eingespanntes und rotierendes Substratrohr, welches in der Regel aus Quarzglas besteht, in mehreren Durchgängen mit den Mantel- bzw. Kernschichten aus einem künstlichen Glas beschichtet wird. Die Ausgangsstoffe für die Mantel- bzw. Kernschichten werden in Gasform durch das Substratrohr geleitet. Durch die in Längsrichtung fortschreitende Erhitzung des Substratrohres durch einen Knallgasbrenner wird fortschreitend auf der Innenwandung des Substratrohres eine künstliche Glasschicht bestimmter Zusammensetzung erzeugt. Die Länge des Substratrohres beträgt üblicherweise 1250 mm. Als Ausgangswerkstoffe für die Herstellung der Schichten aus künstlichem Glas werden beispielsweise Siliziumtetrachlorid (SiCl₄), Germaniumtetrachlorid (GeCl₄) Phosphoroxitrichlorid (OPCl₃) und Hexafluorethan (C₂F₆) zusammen mit Sauerstoff und Helium verwendet.

Fig. 1 zeigt den Teil einer in einer Glasdrehbank eingespannten Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung besteht aus dem Rohr mit größerem Durchmesser am linken Ende. Sein Durchmesser entspricht etwa dem Durchmesser des Substratrohres. Das Rohr 1 verjüngt sich etwa in der Mitte der Vorrichtung - ihre Gesamtlänge beträgt etwa 350 mm - zu einem Rohr 2 mit kleinerem Durchmesser. Das Rohr 2 ist von einem anderen Rohr 3 mit größerem Durchmesser umgeben, welches am linken Ende verschlossen, mit dem Rohr 1 verbunden ist und welches zwei rotationssymmetrische Verdickungen 4 besitzt.

Am rechten Ende des Rohres 3 ist das zu beschichtende Substratrohr angeschmolzen, welches beispielsweise eine Länge von 900 mm aufweist. Zwischen dem Substratrohr und der Vorrichtung ist ein Schutzschild 5 aus Quarzglas vorgesehen, welches eine Abschirmung der Vorrichtung gegen Wärme bewirken soll. Das linke Ende der Vorrichtung, d. h. das Rohr 1, ist drehbar in der Glasdrehbank 6 gelagert und wird von dem Antrieb 7 in Drehung versetzt.

Während des Betriebes der Vorrichtung sind in den Verdickungen 4 die Werkstoffe enthalten, welche für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt werden und zwar in der linken Verdickung der Komplexbildner, beispielsweise Aluminiumtrichlorid (AlCl₃), und in der rechten Verdickung die Seltenerd-Verbindung, beispielsweise Erbiumtrichlorid (ErCl₃). Das Verfahren zum Erzeugen der Mantelschichten des Lichtwellenleiters läuft nun in bekannter Weise so ab, daß SiCl₄ und GeCl₄ sowie Sauerstoff und Helium durch das Rohr 1 in das Substratrohr geleitet werden.

Während dieses Verfahrensabschnittes werden die Verdickungen und die darin enthaltenen Stoffe auf eine Temperatur von etwa 20°C gekühlt. Erst wenn die mit dem Seltenerd-Element dotierte Kernschicht erzeugt werden soll, werden die Verdickungen 4 und somit die darin enthaltenen Stoffe erhitzt und zwar die linke Verdickung (welche AlCl₃ enthält) auf 150 bis 250°C und die rechte Verdickung (welche ErCl₃ enthält) auf 700 bis 1100°C.

Durch die Erhitzung von AlCl₃ und ErCl₃ läuft folgende Reaktion ab: Es wird Aluminiumchloriddampf erzeugt, welcher über das Erbiumtrichlorid streicht. Dabei bildet sich ein Komplex in der Weise, daß ein Erbiumatom von mehreren Aluminiumchlorideinheiten umgeben ist. Der Dampfdruck dieses Komplexes liegt bei 700 bis 1100°C so hoch, daß die benötigten Mengen zusammen mit dem zugeführten SiCl₄ und GeCl₄ an der erhitzten Stelle des Substratrohres zwecks Erzeugung einer künstlichen Glasschicht mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden können. Diese Reaktion ist derjenigen ähnlich, welche bei der Erzeugung von SiO₂ oder GeO₂ aus SiCl₄ und O₂ oder GeCl₄ und O₂ abläuft. Aus AlCl₃ und ErCl₃ entsteht Erbiumoxid und Aluminiumoxid, während das bei der Reaktion freiwerdende Chlorgas abgeführt wird. In der auf dem Substratrohr abgeschiedenen dotierten Kernglasschicht ist jedes Erbiumatom von einer (isolierenden) Hülle aus Aluminiumatomen umgeben. Dadurch wird die Fluoreszenzbande des Erbiums geglättet, so daß sie im Bereich 1530-1570 nm keinen Einbruch zeigt.

Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung der Lichtwellenleiter-Vorform mit einer mit Seltenerd-Elementen dotierten Kernschicht hat es sich als zweckmäßig erwiesen, nach dem Erzeugen der Seltenerd-dotierten Kernschicht in noch einem Durchgang eine weitere Kernschicht ohne Seltenerd-Dotierung zu erzeugen und dann vor dem Kollabieren des Substratrohres etwa 70% der Gesamtdicke der 1. und 2. Kernschicht abzuätzen, beispielsweise mit Hexafluorethan. Dadurch ergibt sich eine besonders reine Kernschicht, welche ein exakt rechteckiges Kernprofil aufweist.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens. Es ist zunächst eine Glasdrehbank 8 zu erkennen, in welcher das Substratrohr 9 drehbar angetrieben eingespannt ist. Auf das Substratrohr 9 wirkt während des Beschichtungsvorganges der Knallgasbrenner 10 ein. Die für die Erzeugung der Schichten aus künstlichem Glas auf der Innenfläche des Substratrohres 9 benötigten gasförmigen Stoffe werden dem Substratrohr 9 durch das Rohr 11 zugeführt, welches über eine Drehdurchführung mit dem Substratrohr 9 gekoppelt ist. Zusätzlich zu den bisher üblichen Bestandteilen der Vorrichtung ist das beheizbare Druckgefäß 12 vorgesehen, welches über die Rohrleitung 13 und das Ventil 14 an das Rohr 11 anschließbar ausgebildet ist. Das Druckgefäß 12 besteht beispielsweise aus einem nicht korrodierenden Stahl und es besitzt eine sehr kleine Öffnung von ≦ 2 mm. Das Druckgefäß 12 entspricht in etwa einer an sich bekannten Knudsen-Zelle.

In dem Druckgefäß 12 sind die Stoffe enthalten, welche für die Erzeugung des Komplexes benötigt werden, also beispielsweise AlCl₃ und ErCl₃. Der Komplex entsteht, wenn die Stoffe im Druckgefäß erhitzt werden. Wird das Ventil 14 geöffnet, kann der Komplex in das Substratrohr 9 gelangen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 eignet sich unter anderem zur kostengünstigen Herstellung von sehr schwach mit einem Selten-Erd-Element dotierten (Er-Gehalt < 5 ppm) Fasern in derzeitiger Postnorm, d. h. mit delta n ungefähr 5 × 10^-3 und Kerndurchmesser 8,5 µm. Dieser Lichtwellenleiter kann in seiner ganzen Länge ohne wesentlichen Dämpfungsverlust eingesetzt werden.

Üblicherweise ist eine Verstärkerfaser mit hohem Brechzahlprofil gewünscht, ausgehend von einem "matched cladding" Profil. Die delta n Werte bewegen sich dabei zwischen 10 × 10^-3 und 50 × 10^-3. Je höher das Brechzahlprofil, desto kleiner ist der Kerndurchmesser der Faser. Bei delta n = 11 × 10^-3 liegt er in der Größenordnung 4 µm. Die Länge der Verstärkerfaser liegt je nach eingestrahlter Leistung, Faserprofil und gewünschter Verstärkung in der Größenordnung mehrerer Meter.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Lichtwellenleiter-Vorform für einen Lichwellenleiter, dessen Kern mit einem Seltenerd-Element dotiert ist und bei dem Kern und Mantel des Lichtwellenleiters durch Abscheidung von Glasschichten auf ein Substratrohr aus der Gasphase erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus wenigstens einer Seltenerd-Verbindung und einem Komplexbildner durch Erhitzen ein Komplex gebildet wird, welcher in das Substratrohr eingeleitet und aus dem eine mit Seltenerd-Elementen dotierte künstliche Kernglasschicht erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Seltenerd-Verbindung Erbiumtrichlorid (ErCl₃) und als Komplexbildner Aluminiumtrichlorid (AlCl₃) verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der mit dem Seltenerd-Element dotierten Kernglasschicht eine weitere Kernglasschicht ohne Seltenerddotierung erzeugt wird und ca. 70% der Gesamtmenge dieser Schichten vor der Kollabierung des Substratrohres abgeätzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Rohr (1) mit größerem Durchmesser, welches an einem Ende zu einem Rohr (2) mit kleinerem Durchmesser verengt ist, bei der das Rohr (2) mit dem kleineren Durchmesser von einem wenigstens eine rotationssymmetrische Verdickung (4) ausweisenden Rohr (3) mit größerem Durchmesser umgeben ist, welches einseitig geschlossen, an diesem Ende mit dem anderen Rohr (1) mit größerem Durchmesser verbunden und auf der gleichen Seite wie das Rohr (2) mit kleinerem Durchmesser offen ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein mit einer Öffnung sehr geringen Durchmessers versehenes heizbares Druckgefäß (12), dessen Öffnung über ein Ventil (14) an die Rohrleitung (11) anschließbar ist, welche die für die Herstellung der Kern- und Mantelschichten der Lichtwellenleiter-Vorform (9) erforderlichen gasförmigen Stoffe führt.