DE60018622T2 - Wärmebehandlung einer Vorform für optische Fasern und Herstellungsverfahren einer optischen Faser - Google Patents

Wärmebehandlung einer Vorform für optische Fasern und Herstellungsverfahren einer optischen Faser Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Polieren einer optischen Faser, das die Oberfläche des Basismaterials für die optische Faser gleichmäßig durch eine Flamme behandeln kann.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine optische Faser wird aus einem Basismaterial für die optische Faser als einem Rohmaterial hergestellt. Hauptbestandteil des Basismaterials für die optische Faser ist Quarzglas. Das Basismaterial für die optische Faser wird erwärmt und auf den vorbestimmten Durchmesser verlängert, um eine Vorform der optischen Faser darzustellen. Eine Vorform der optischen Faser wird gezogen, um eine optische Faser darzustellen.
  • Wenn einige Beschädigungen und eine Ungleichförmigkeit in der Oberfläche eines Basismaterials für eine optische Faser vorhanden sind, reißt es während des Ziehens dieses Materials in eine optische Faser. Auch wird das Verhältnis zwischen dem Kerndurchmesser und dem Manteldurchmesser der optischen Faser ungleichmäßig. Wenn unreine Fremdstoffe an der Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser anhaften, verringert sich die Qualität der optischen Faser. Wenn weiterhin Restspannungen innerhalb des Basismaterials für eine optische Faser groß sind, können Risse während des Ziehens oder Transportierens dieses Materials bewirkt werden.
  • Daher ist die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser vorzugsweise gleichmäßig und ohne unreine Fremdstoffe. Auch ist die Restspannung innerhalb des Basismaterials für eine optische Faser vorzugsweise klein. Ein Flammenpolieren wird üblicherweise durchgeführt, um Beschädigungen der Oberfläche und Restspannungen innerhalb des Basismaterials für eine optische Faser zu beseitigen. Das Flammenpolieren erwärmt die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser auf etwa 2.000°C mit einem Brenner, während das Material sich dreht.
  • Jedoch wird bei dieser Temperatur ein Teil des Quarzglases (SiO2) an der Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser dissoziiert und wird SiO. Daher wird dieser Teil des Quarzglases zersetzt. SiO reagiert mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre und wird wieder Glas. Somit haften Glasteilchen auf der Oberfläche des durch eine Flamme erwärmten Basismaterials und bilden Wolken auf dieser Oberfläche.
  • Diese Wolken können beseitigt werden durch Erwärmen des Basismaterials mit einer schwachen Flamme. Aber wenn die Erwärmung nicht ausreichend ist, verbleiben Spannungen innerhalb des Basismaterials. Umgekehrt treten, wenn die Erwärmung stärker als erforderlich ist, wieder Wolken auf.
  • Die EP 0 525 681 A1 beschreibt ein Verfahren zur Flammenabrasion einer Glasvorform für eine optische Faser, das die Flammenabrasion bei der Glasvorform vorsieht, die vertikal aufgehängt ist und sich dreht, mit einer ersten Knallgasflamme, während zumindest eine von der Glasvorform und der Knallgasflamme relativ bewegt wird. Nach der Behandlung der Vorform mit der ersten Knallgasflamme wird die Vorform weiterhin durch eine zweite Knallgasflamme erwärmt. Jedoch ist die Energie der zweiten Knallgasflamme nur etwa 1/6 bis 1/7 von derjenigen der ersten Knallgasflamme
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Polieren des Basismaterials einer optischen Faser anzugeben, das die vorgenannten Probleme löst, d.h. dass Beschädigungen, Ungleichmäßigkeiten und durch unreine Fremdstoffe auf der Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser bewirkte Ungleichmäßigkeiten, Restspannungen innerhalb des Basismaterials für eine optische Faser und durch das Anhaften von Glasteilchen bewirkte Wolken beseitigen kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Gemäß der Erfindung weist ein Verfahren zum Polieren eines Basismaterials für eine optische Faser durch Wärme auf: einen ersten Flammenpolierschritt, bei dem die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser erwärmt wird durch eine Flamme, während die Länge des Basismaterials für eine optische Faser konstant gehalten wird, und einen zweiten Flammenpolierschritt, durch den die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser durch eine Flamme auf eine niedrigere Temperatur als in dem ersten Flammenpolierschritt erwärmt wird, und es ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Flammenpolierschritt die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser auf eine Temperatur zwischen 1.000°C und 1.800°C erwärmt wird, um Restspannungen innerhalb des Basismaterials für eine optische Faser zu beseitigen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass in dem ersten Flammenpolierschritt unebene Teile auf der Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser zumindest lokal erwärmt werden und in dem zweiten Flammenpolierschritt die gesamte Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser erwärmt wird.
  • Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass in dem ersten Flammenpolierschritt das Basismaterial für eine optische Faser so erwärmt wird, dass die Temperatur der Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser 1.800°C bis 2.200°C erreicht.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass die Flamme durch Verbrennen von brennbarem Gas erzeugt wird, das Wasserstoff und Trägergas, das Sauerstoff zum Stützen der Ver brennung enthält, aufweist. Ein noch weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht darin, dass die Flamme durch Verbrennen von brennbarem Gas erzeugt wird, das kettenförmigen Kohlenwasserstoff und Trägergas, das Sauerstoff zum Stützen der Verbrennung enthält, aufweist.
  • Ein noch weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält das Ziehen des Basismaterials für eine optische Faser in eine fadenartige Form durch Erwärmen und Ziehen des Basismaterials für eine optische Faser, um die optische Faser zu erzeugen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt ein System einer Vorrichtung zum Herstellen einer optischen Faser nach der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser nach der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten zweiten Glasstab-Verlängerungsvorrichtung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen unter Verwendung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • 1 zeigt ein System einer Herstellungsvorrichtung für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung. Das System der Herstellungsvorrichtung für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung enthält eine Glasbasismaterial-Erzeugungsvorrichtung 600, die ein Glasbasismaterial 102 erzeugt, das ein Basismaterial für eine optische Faser ist; eine Glasbasismaterial-Dehydrierungs- und -Sintervorrichtung 700, die das Glasbasismaterial 102 dehydriert und sintert; eine erste Glasbasismaterial-Verlängerungsvorrichtung 900, die das Glasbasismaterial 102 verlängert, um einen Glasstab 106 zu erzeugen; eine Glasstab-Transportvorrichtung 380, die den Glasstab 106 transportiert; eine zweite Glasstab-Verlängerungsvorrichtung 111, die den Glasstab 106 ein zweites Mal verlängert, um eine Vorform 107 zu erzeugen; und eine Vorform-Ziehvorrichtung 500, die die Vorform 107 zieht, um eine optische Faser zu erzeugen.
  • 2 zeigt ein Herstellungsverfahren für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung. Das Glasbasismaterial 102 wird durch die Glasbasismaterial-Erzeugungsvorrichtung 600 unter Verwendung des VAD-Verfahrens, des Dampfphasen-Axialabscheidungsverfahrens oder dergleichen erzeugt (5200). Das Glasbasismaterial 102 wird dann in einer Chlorgasatmosphäre dehydriert und in einer Inertgas-Atmosphäre gesintert mittels der Glasbasismaterial-Dehydrierungs- und -Sintervorrichtung 700 (S202).
  • Der Durchmesser des Glasbasismaterials 102 beträgt normalerweise 110 mm bis 200 mm, beglichen mit einem Durchmesser von 30 mm bis 80 mm, der am praktischsten zum Ziehen einer optischen Faser ist. Daher wird das dehydrierte und gesinterte Glasbasismaterial 102 zuerst durch die erste Glasbasismaterial-Verlängerungsvorrichtung 900 verlängert, um einen Glasstab 106 zu erzeugen (S204), der ein Basismaterial für eine opti sche Faser ist. Der Glasstab 106 hat einen Durchmesser, der 3 mm bis 5 mm größer als der Durchmesser ist, der zum Ziehen einer optischen Faser zweckmäßig ist, welcher von 30 mm bis 80 mm beträgt.
  • Der Glasstab 106 wird durch die Glasstab-Transportvorrichtung 380 transportiert (S205). Der Glasstab 106 wird dann erwärmt und verlängert, der Glasstab 106 wird weiterhin flammenpoliert, um die Unebenheit der Oberfläche zu beseitigen, um eine Vorform 107 zu sein (S206). Die Vorform 107 wird erwärmt und durch die Vorform-Ziehvorrichtung 500 in eine fadenartige Form gezogen, um eine optische Faser zu erzeugen (S210).
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Glasstab-Verlängerungsvorrichtung 111. Das Behandlungsverfahren für das Basismaterial für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung verwendet die Vorrichtung 111, um den Glasstab 106 mit einer Flamme zu polieren. Das Wärmebehandlungsverfahren für ein Basismaterial für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung führt kontinuierlich das erste Flammenpolieren und das zweite Flammenpolieren durch.
  • Das erste Flammenpolieren erwärmt die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser mit einer Flamme, während die Länge des Basismaterials für eine optische Faser konstant gehalten wird, und das zweite Flammenpolieren erwärmt die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser mit einer Flamme mit einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur der Erwärmung bei dem ersten Flammenpolieren.
  • Die Vorrichtung 111 hat einen Brenner 12, eine Ein spannung 18 und 20, einen Motor 22 und 24 und eine Gewindestange 26. Beide Enden 14, 16 des Glasstabs 106 werden durch die Einspannung 18, 20 gehalten. Der Glasstab 106 wird um die Achse gedreht, die die Mitte der Einspannung 18 und die Mitte der Einspannung 20 verbindet. Der Glasstab 106 wird durch den Motor 22 gedreht. Der Brenner 12 ist mit der Gewindestange 26 verbunden. Die Gewindestange 26 wird durch den Motor 24 gedreht. Der Brenner 12 erwärmt den Glasstab 106, indem er sich relativ in der Richtung der Achse des Glasstabs 106 entlang der Gewindestange 26 bewegt. Der Glasstab 106 wird durch den Brenner 12 durch eine Säure-Wasserstoff-Flamme erwärmt, die eine Verbrennungsflamme mit Wasserstoff und Sauerstoff ist.
  • Das erste Flammenpolieren entfernt Unebenheiten der Oberfläche des Glasstabs 106. Das zweite Flammenpolieren entfernt Restspannungen innerhalb des Glasstabs 106 und Wolken auf der Oberfläche des Glasstabs 106 durch die Erwärmung des Glasstabs 106 mit einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur der Erwärmung bei dem ersten Flammenpolieren.
  • Es ist wünschenswert, dass die Flamme eine Verbrennungsflamme mit brennbarem Gas ist, das Wasserstoff und/oder kettenförmigen Kohlenwasserstoff und Trägergas enthält, das Sauerstoff zum Stützen der Verbrennung enthält. Es ist wünschenswerter, dass die Flamme eine Säure-Wasserstoff-Flamme ist.
  • Das erste Flammenpolieren beginnt mit einer Erwärmung eines Endes A des Glasstabs 106. Der Brenner 12 erwärmt die Oberfläche des Glasstabs 106 auf 2.000°C unter Bewegung entlang der Gewindestange 26. Der Brenner 12 wird zu dem anderen Ende P des Glasstabs 106 hin bewegt. Daher kann der Brenner 12 die gesamte Oberfläche des Glasstabs 106 mit der Flamme polieren. Bei diesem Vorgang werden Beschädigungen, Unebenheiten und unreine Fremdstoffe an der Oberfläche des Glasstabs 106 entfernt, und die Oberfläche des Glasstabs 106 wird eben. Zu dieser Zeit haften Glasteilchen an der Oberfläche des Glasstabs 106, so dass Wolken auf der Oberfläche des Glasstabs 106 auftreten. Auch sind Spannungen innerhalb des Glasstabs 106 verblieben. Das erste Flammenpolieren kann ein lokales Flammenpolieren sein, bei dem der Teil des Glasstabs 106 flammenpoliert wird, der Beschädigungen aufweist.
  • Bei dem ersten Flammenpolieren wird die Temperatur der Oberfläche des Glasstabs 106 auf mehr als 1.600°C gebracht, was eine Erweichungstemperatur für Synthesequarzglas ist. Hierdurch werden Unebenheiten der Oberfläche, das sind Beschädigungen, Unebenheiten und unreine Fremdstoffe auf der Oberfläche, entfernt. Jedoch erreicht der Teil der Oberfläche des Glasstabs 106 manchmal etwa 2.200°C und Wolken werden durch Glasteilchen bewirkt, die an der Oberfläche des Glasstabs 106 haften. Bei dem zweiten Flammenpolieren wird die Oberfläche des Glasstabs 106 auf angenähert Erweichungstemperatur erwärmt. Hierdurch können Wolken und Restspannungen innerhalb des Glasstabs 106 durch das zweite Flammenpolieren beseitigt werden.
  • In dem Fall einer optischen Faser ist der Hauptbestandteil Quarzglas, und es ist wünschenswert, dass die Oberfläche des Glasstabs 106 bei dem ersten Flammenpolieren auf angenähert zwischen 1.800°C und 2.200°C erwärmt wird. Es ist wünschenswerter, dass sie angenähert zwischen 1.900°C und 2.100°C erwärmt wird. Wenn die Temperatur der Oberfläche höher als 2.200°C ist, wird eine Dissoziation des Quarzglases an der Oberfläche des Glasstabs 106 intensiv. Wenn andererseits die Temperatur der Oberfläche niedriger als 1.800°C ist, können Beschädigungen, Unebenheiten und unreine Fremdstoffe nicht von der Oberfläche des Glasstabs 106 entfernt werden.
  • Nach Beendigung des ersten Flammenpolierens wird die Drehrichtung der Gewindestange 26 umgekehrt, so dass der Brenner 12 zu dem Ende A bewegt wird, das der Startpunkt der Erwärmung ist. Dann wird das zweite Flammenpolieren durchgeführt. Der Brenner 12 erwärmt die Oberfläche des Glasstabs 106 auf 1.500°C unter Bewegung entlang der Gewindestange 26. Der Brenner 12 bewegt sich zu dem anderen Ende B des Glasstabs 106, wobei er die gesamte Oberfläche des Glasstabs 106 flammenpoliert. Die gesamte Oberfläche des Glasstabs 106 wird auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der Erwärmung bei dem ersten Flammenpolieren erwärmt. Hierdurch können Glasteilchen der Oberfläche des Glasstabs 106 entfernt werden. Die Oberfläche des Glasstabs 106 kann transparent sein, und Restspannungen innerhalb des Glasstabs 106 können beseitigt werden.
  • Es ist wünschenswert, dass die Oberfläche des Glasstabs 106 bei dem zweiten Flammenpolieren auf angenähert zwischen 1.000°C und 1.800°C erwärmt wird. Es ist wünschenswerter, dass die Oberfläche des Glasstabs 106 auf angenähert zwischen 1.200°C und 1.600°C erwärmt wird. Wenn die Temperatur der Oberfläche höher als 1.800°C ist, tritt eine neue Wolke auf der Oberfläche des Glasstabs 106 auf. Wenn andererseits die Temperatur der Oberfläche des Glasstabs 106 niedriger als 1.00°C ist, können Restspannungen innerhalb des Glasstabs 106 nicht beseitigt werden.
  • (BEISPIEL)
  • Der Glasstab 106 mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 60 mm wurde in die zweite Glasstab-Verlängerungsvorrichtung 111 eingebracht. Schwarze Punkte von unreinen Fremdstoffen, deren Durchmesser etwa 1 mm betrug, wurden auf die Oberfläche des Glasstabs 106 aufgebracht. Die schwarzen Punkte konnten durch Abwischen mit einem Tuch nicht entfernt werden. Der Glasstab 106 wurde mit der Geschwindigkeit von 25 U/min. gedreht. Bei dem ersten Flammenpolieren wurde der Teil des Glasstabs 106, in welchem die unreinen Fremdstoffe aufgebracht waren, auf 2.000°C erwärmt durch eine Säure-Wasserstoff-Flamme mit 300 L/m Wasserstoff und 170 L/M Sauerstoff. Durch das erste Flammenpolieren wurden die unreinen Fremdstoffe beseitigt, aber Glasteilchen wurden auf die Oberfläche des Glasstabs 106 -aufgebracht, so dass eine weiße Wolke auf der Oberfläche des Glasstabs 106 auftrat.
  • Als nächstes wurde bei dem zweiten Flammenpolieren die Oberfläche des Glasstabs 106 durch eine Säure-Wasserstoff-Flamme mit 230 L/m Wasserstoff und 130 L/m Sauerstoff erwärmt. Die Oberfläche des Glasstabs 106 wurde beobachtet durch Bestrahlen mit Licht einer Halogenlampe oder Glühlampe, dann war die Oberfläche des Glasstabs 106 transparent und eben ohne Beschädigungen, Unebenheiten, unreine Fremdstoffe und Glasteilchen. Auch wurden die Spannungen innerhalb des Glasstabs 106 geprüft durch qualitative Prüfung unter Verwendung einer Tafel mit polarisiertem Licht, und es wurde bestätigt, dass die Spannungen innerhalb des Glasstabs 106 beseitigt waren.
  • Die Oberfläche des Glasstabs 106 hatte ein Loch von etwa 20 μm Durchmesser, dann war die Oberfläche des Glasstabs 106 transparent und eben, und die Spannungen innerhalb des Glasstabs 106 waren beseitigt.
  • (VERGLEICHSBEISPIEL)
  • Unreine Fremdstoffe hafteten an der Oberfläche des Glasstabs 106, und dieser war uneben. Es wurde nur das zweite Flammenpolieren durchgeführt, bei dem der Glasstab 106 auf 1.500°C erwärmt wurde. Die unreinen Fremdstoffe und die Unebenheiten der Oberfläche des Glasstabs 106 konnten nicht beseitigt werden.
  • Durch das Wärmebehandlungsverfahren für ein Basismaterial für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung kann ein Glasstab, der ein Basismaterial für eine optische Faser ist, von hoher Qualität erhalten werden. Die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser wird transparent ohne eine durch Glasteilchen bewirkte Wolke. Die Oberfläche des Basismaterials für eine optische Faser wird eben ohne Beschädigungen, Unebenheiten und unreine Fremdstoffe. Weiterhin kann ein Basismaterial für optische Fasern ohne innere Restspannungen erhalten werden. Da das Herstellungsverfahren für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung das durch das Wärmebehandlungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung behandelte Basismaterial für optische Fasern verwendet, kann eine optische Faser hoher Qualität erhalten werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Polieren eines Basismaterials (106) für eine optische Faser durch Wärme, welches aufweist: einen ersten Flammenpolierschritt, bei dem die Oberfläche des Basismaterials (106) für eine optische Faser erwärmt wird durch eine Flamme, während die Länge des Basismaterials (106) für eine optische Faser konstant gehalten wird, und einen zweiten Flammenpolierschritt, durch den die Oberfläche des Basismaterials (106) für eine optische Faser durch eine Flamme auf eine niedrigere Temperatur als in dem ersten Flammenpolierschritt erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Flammenpolierschritt die Oberfläche des Basismaterials (106) für eine optische Faser auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1800°C erwärmt wird, um Restspannungen innerhalb des Basismaterials (106) für eine optische Faser zu beseitigen.
  2. Verfahren zum Polieren des Basismaterials (106) für eine optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Flammenpolierschritt unebene Teile auf der Oberfläche des Basismaterials (106) für eine optische Faser zumindest lokal erwärmt werden und in dem zweiten Flammenpolierschritt die gesamte Oberfläche des Basismaterials (106) für eine optische Faser erwärmt wird.
  3. Verfahren zum Polieren des Basismaterials (106) für eine optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Flammenpolierschritt das Basismaterial (106) für eine optische Faser so erwärmt wird, dass die Temperatur der Oberfläche des Basismaterials (106) für eine optische Faser 1800°C bis 2200°C erreicht.
  4. Verfahren zum Polieren des Basismaterials (106) einer optischen Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme erzeugt wird durch Verbrennen von brennbarem Gas, das Wasserstoff und Trägergas, das Sauerstoff zum Stützen der Verbrennung enthält, enthält.
  5. Verfahren zum Polieren des Basismaterials (106) einer optischen Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme erzeugt wird durch Verbrennen von brennbarem Gas, das kettenförmigen Kohlenwasserstoff und Trägergas, das Sauerstoff zum Stützen der Verbrennung enthält, enthält.
  6. Verfahren zum Polieren des Basismaterials (106) einer optischen Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin aufweisend das Ziehen des Basismaterials (106) für eine optische Faser in eine fadenartige Form durch Erwärmen und Ziehen des Basismaterials (106) für eine optische Faser, um die optische Faser zu erzeugen.
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