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Industrielles
Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern durch Erhitzen und Elongieren eines einen Außendurchmesser
(D) aufweisenden Quarzglaszylinders unter Einsatz eines einen oberen
Bereich und einen unteren Bereich aufweisenden Heizofens, der mit
einem Heizelement mit einem Innendurchmesser (d) ausgestattet ist.
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Stand der
Technik
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In
jüngster
Zeit wurden in Bereich der optischen Kommunikation im großen Umfang
optische Fasern eingesetzt. Um das Anwendungsgebiet optischer Fasern
zu erweitern sind eine Erhöhung
der Massenproduktion und eine Senkung von deren Kosten unumgänglich.
Zu diesem Zweck ist die einfachste Maßnahme, eine großvolumige
Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern mit hoher Maßhaltigkeit
herzustellen, beispielsweise eine großvolumige Vorform für optische
Fasern mittels des Stab-in-Rohr-Verfahrens herzustellen usw., und
danach die Vorform zu elongieren und zu einer Faser zu ziehen. Bisher
wurde für
die Herstellung einer Vorform aus Quarzglas für optische Fasern ein großvolumiger
Zylinder mittels einer Elongiereinrichtung, wie sie in 3 dargestellt
ist, erweicht, wobei die Vorform aus Quarzglas durch Elongieren
des erweichten Zylinders zu einem Rohr hergestellt wurde. Jedoch
ergibt sich eine große
Elliptizität
des so erhaltenen Rohres, so dass optische Fasern mit hoher Qualität nicht
hergestellt werden können.
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Im
japanischen Patent Nr. 3017491 wird vorgeschlagen, ein Rohr mit
geringer Elliptizität
herzustellen, indem ein definiertes Verhältnis zwischen der Länge und
dem Innendurchmesser eines zylindrischen Heizelements eines Heizofens
und dem Außendurchmesser
einer Vorform aus Quarzglas eingehalten wird, und die Vorform berührungslos
elongiert wird. Jedoch tritt in dem wie im oben erwähnten Patent
beschriebenen Heizofen ein Temperaturgradient an der Innenseite
des Heizelementes auf, welcher einen aufsteigenden Luftstrom erzeugt,
der wiederum einen Unterdruck im unteren Bereich des Heizofens bewirkt,
so dass Umgebungsluft in den Ofen eingesaugt wird.
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Die
Folgen davon sind, dass die innere Wandung des Graphit-Heizelements
durch Oxidation korrodiert wird, das Heizelement dabei merklich
verschlissen wird und dabei infolge der Korrosion Staub erzeugt
wird, der auf dem Zylinder anhaftet. Darüber hinaus wird die Temperaturverteilung
in Umfangsrichtung teilweise inhomogen und die Viskosität des erweichten
Bereichs des Zylinders weicht vom Normalen ab. Dadurch kann nur
ein Rohr mit hoher Elliptizität
hergestellt werden.
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Demzufolge
wurde, wie beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 95537/2000 dargestellt, ein System vorgeschlagen, bei dem ein
Inertgas vom oberen Bereich eines Heizelements eingeblasen wird,
so dass die Ausbildung eines aufsteigenden Luftstroms in dem Heizofen
unterdrückt
wird, und das Einsaugen von Luft und die Bildung eines Bereiches
mit inhomogener Temperaturverteilung verhindert werden. Jedoch ist
es auch beim Elongieren eines großvolumigen Zylinders unter
Einsatz dieses Heizofens schwierig, eine große Vorform aus Quarzglas für optische
Fasern mit geringer Elliptizität zu
erhalten, und es ergibt sich weiterhin eine Einschränkung hinsichtlich
des Außendurchmessers des
Quarzglaszylinders, so dass es schwierig ist, optische Fasern mit
hoher Qualität
und niedrigen Kosten herzustellen.
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Von der Erfindung
zu lösende
technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur kostengünstigen
Herstellung einer großvolumigen
Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern mit geringer Elliptizität bereitzustellen.
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Maßnahmen
zur Lösung
der Aufgabe
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Es
hat sich gezeigt, dass die Elliptizität einer Vorform aus Quarzglas
für optische
Fasern deutlich durch ein Inertgas beeinflusst wird, das in den
Heizofen eingesaugt wird. Nähere
Untersuchungen haben ergeben, dass durch das Einhalten des Verhältnisses zwischen
dem Außendurchmesser
(D) eines Quarzglaszylinders und dem Innendurchmesser (d) des Heizelementes
des Heizofens in einem spezifischen Bereich, eine großvolumige
Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern mit geringer Elliptizität hergestellt werden kann,
worauf die vorliegende Erfindung beruht. Also durch Einhalten des
Verhältnisses
(d/D) im Bereich zwischen 1,02 bis 1,5 und durch Einblasen eines
Inertgases von dem oberen Bereich des Heizofens in das Heizelement.
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Insbesondere
ist die vorliegende Erfindung, welche die oben beschriebene Aufgabe
löst, ein
Verfahren zur Herstellung einer Vorform aus Quarzglas für optische
Fasern durch berührungsloses
Elongieren eines großvolumigen
Quarzglaszylinders unter Einsatz eines Heizofens, der mit einem
Graphit-Heizelement ausgestattet ist, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Außendurchmesser
(D) des Quarzglaszylinders mindestens 190 mm beträgt und dass das
Verhältnis
(d/D) im Bereich zwischen 1,02 bis 1,5 liegt, und dass ein Inertgas
vom oberen Bereich des Heizofens in das Heizelement eingeblasen
wird.
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Der
oben beschriebene großvolumige Quarzglaszylinder
wird hergestellt durch Verdampfen von hochreinem Siliziumtetrachlorid,
durch Flammenhydrolyse in einer Knallgasflamme, Ansammeln der gebildeten
feinen Partikel aus Silicaglas um ein Substrat unter Bildung von
porösem
Sootmaterial, Ausbilden eines transparenten Glases in einem elektrischen
Ofen bei einer Temperatur von 1400°C bis 2000°C unter Bildung eines Quarzglasblocks,
Schleifen des Außendurchmessers,
Ausbilden einer Bohrung mit hoher Präzision mittels einer Kernbohreinrichtung,
wobei deren zirkulares Zentrum unter Berücksichtigung des Außendurchmessers
eingestellt wird, und dann sofern erforderlich, Ausführen einer mechanischen
Politur, einer Ätzbehandlung
mit Flusssäure,
einer Spülbehandlung
mit reinem Wasser, usw.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass der Außendurchmesser
(D) mindestens 190 mm beträgt.
Wenn der Außendurchmesser
kleiner als 190 mm ist, besteht eine gewisse Gefahr, dass eine Vorform
aus Quarzglas für
optische Fasern mit hoher Elliptizität gebildet wird. Unter Einsatz
eines großvolumigen Quarzglaszylinders
wird die Herstellung einer Vorform aus Quarzglas für optische
Fasern mit geringer Elliptizität
vereinfacht und optische Fasern mit einer guten Qualität können mit
hoher Reproduzierbarkeit und bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
Die oben beschriebene Vorform aus Quarzglas für optische Fasern ist ein Rohr,
das für
die Herstellung einer Vorform für
optische Fasern eingesetzt wird, oder sie ist eine Vorform, bei
der ein Kernstab in die Innenbohrung des Quarzglasrohres ohne integrale
Verbindung mit dem Rohr eingesetzt ist.
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Zum
Erweichen des oben beschriebenen großvolumigen Quarzglaszylinders
oder einer Vorform, bei der ein Kernstab in besagtem Quarzglaszylinder
eingesetzt ist, wird ein Heizofen einer Art bevorzugt, der ein Einblasen
von Inertgas vom oberen Bereich des Heizofens, wie in 1 dargestellt,
umfasst. Durch Einblasen eines Inertgases wird die Ausbildung eines
Unterdruckes im unteren Bereich des Heizofens verhindert, wodurch
das Auftreten von Korrosion durch Oxidation des Heizelementes infolge eingesaugter
Fremdluft in den Ofen reduziert werden kann, und weiterhin tritt
eine inhomogene Temperaturdifferenz an der Außenmantelfläche des Quarzglaszylinders
infolge der Entstehung von Staub nicht auf. Insbesondere wird in
einem vertikalen Widerstandsofen und in einem Induktionsofen, wobei
diese Öfen
für den
Einsatz geeignet sind, das Elongieren eines großvolumigen Quarzglaszylinders
vereinfacht. Der oben erwähnte
Widerstandsofen ist ein Heizofen, bei dem zur Erzeugung von Hitze
ein elektrischer Strom durch ein Heizelement, das als Heizer bezeichnet
wird, hindurchgeleitet wird, wobei in vielen Fällen ein zylindrischer Heizer
eingesetzt wird. Demgegenüber
ist ein Induktionsofen ein Ofen, bei dem durch Hindurchleiten eines
hochfrequenten elektrischen Stromes usw. in der Nähe eines
Heizelements, das als Heizer bezeichnet wird, ein elektrischer Induktionsstrom
erzeugt wird, wobei der Heizer Hitze erzeugt, und wobei in vielen
Fällen
ein zylindrischer Heizer eingesetzt wird. Als Inertgas werden Stickstoff,
Argon usw. verwendet.
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Vorzugsweise
liegt das Verhältnis
(d/D) des Innendurchmessers (d) des Heizelements des Heizofens und
dem Quarzglaszylinder (D) im Bereich von 1,02 bis 1,5, und vorzugsweise
im Bereich von 1,1 bis 1,3, wobei der Spalt zwischen der Innenwandung
des Heizelements und der Außenmantelfläche des
großvolumigen
Quarzglaszylinders im Bereich zwischen 15 und 25 mm liegt. Wenn
das oben erwähnte
Verhältnis
(d/D) weniger als 1,02 beträgt,
kann ein berührungsloses
Heizen nicht ausgeführt
werden und Verunreinigungen aus dem Heizelement gelangen in das
Innere der Vorform aus Quarzglas für optische Fasern, was zu einer
Kontamination der optischen Fasern führt. Demgegenüber tritt
bei einem den Wert 1,5 überschreitenden
Verhältnis
(D/d) ein Gradient in der Konzentration des Inertgases auf, so dass
der großvolumige
Quarzglaszylinder oder die Vorform, bei welcher ein Kernstab in
den besagten Quarzglaszylinder eingesetzt ist, nicht homogen erhitzt
wird, was zu einem Anstieg der Elliptizität führt.
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Beim
oben beschriebenen Elongieren ist es bevorzugt, dass das Inertgas
durch die Innenbohrung des Quarzglaszylinders geleitet wird, wobei
es in diesem Fall bevorzugt ist, dass das Verhältnis (D/ID) des Außendurchmessers
(D) zum Innendurchmesser (ID) des Quarzglaszylinders im Bereich
zwischen 2 und 5 liegt. Beim Elongieren außerhalb des oben beschriebenen
Bereiches kann eine Vorform aus Quarzglas für optische Fasern mit geringer
Elliptizität
nicht hergestellt werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens beinhaltet ein Elongieren und Heizen eines großvolumigen
Quarzglaszylinders, der als Hohlzylinder ausgebildet ist, und der
einen Kernstab umfasst, welcher koaxial in dem besagten Hohlzylinder eingesetzt
ist, ohne mit diesem verbunden zu sein. In diesem Fall ist das Verhältnis (D'/ID') des Außendurchmessers
(D') und des Innendurchmessers
(ID') des Hohlzylinders
im Bereich zwischen < 2
bis 5. Beim Elongieren außerhalb
des oben genannten Bereichs kann eine Vorform aus Quarzglas für optische Fasern
mit geringer Elliptitzität
nicht hergestellt werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Vertikalziehofens
zur Herstellung einer Vorform aus Quarzglas für optische Fasern.
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2 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Elliptizität und dem
Verhältnis
von Innendurchmesser des Heizofens und Außendurchmesser des Quarzglaszylinders
zeigt.
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3 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Vertikalziehofens
für die
Herstellung einer Vorform aus Quarzglas für optische Fasern nach dem
Stand der Technik.
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Als
ein Ausführungsbeispiel
zum Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung
ist in 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
Verfahrens zur Herstellung einer Vorform aus Quarzglas für optische
Fasern unter Einsatz eines Vertikalofens dargestellt. In 1 zeigt
die Bezugsziffer 1 eine Vorrichtung zum Zuführen von
Inertgas, 2 einen Heizofen, 3 ein Heizelement, 4 einen
Zylinder, 5 ein Rohr, wobei d der Innendurchmesser des
Heizofens, D der Außendurchmesser
des Quarzglaszylinders, und ID der Innendurchmesser des Quarzglaszylinders
sind. Die Veränderungsrate
der Elliptizität
im Falle einer Änderung
des Verhältnisses
d/D durch Elongieren unter Einsatz des oben beschriebenen Heizofens
ist in 2 dargestellt. Die Elliptizität wird folgt ermittelt. Die
Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern wird um ihre Umfangsrichtung rotiert, die Außendurchmesser
der Querschnitte werden kontinuierlich gemessen, und so wird ein
Maximumwert und ein Minimumwert erhalten, wobei (der Maximalwert – der Minimalwert)
als Wert für
OV (mm) dargestellt werden, und die Elliptizität (%) anhand der folgenden
Formel (1) berechnet wird. Elliptizität
(%) = [OV (mm)/OD (mm)] × 100 (1)
- OD
- = Außendurchmesser
der Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern
- OV
- = Maximalwert minus
Minimalwert
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Die
Außendurchmesser
der entsprechend dem Herstellungsverfahren der Erfindung hergestellten
Rohre sind unterschiedlich, und die OV-Werte können – so wie sie sind – nicht
verglichen werden, jedoch kann die Elliptizität mittels der oben beschriebenen
Formel 1 unabhängig
vom Außendurchmesser
der Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern berechnet werden.
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Modus zur
Ausführung
der Erfindung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden beschrieben, wobei die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist.
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Beispiel 1
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Aus
einem großvolumigen
porösen
Sootmaterial, das mittels des VAD-Verfahrens durch Flammenhydrolyse
von verdampftem Siliziumtetrachlorid in einer Knallgasflamme erzeugt
wurde, wurde ein transparentes Glas bei 1600°C gebildet, und daraus wurde
ein Quarzglasblock produziert. Die Außenmantelfläche des zylindrischen Quarzglasblocks
wurde geschliffen, woraufhin die Abmessungen desselben mittels eines
Laser-Außendurchmessermessgerätes gemessen
wurden, um das zirkulare Zentrum des Außendurchmessers zu ermitteln,
mittels einer Kernbohrmaschine wurde unter Berücksichtigung des zirkularen
Zentrums des Außendurchmessers eine
Bohrung erzeugt, und eine Ätzbehandlung
mit Flusssäure,
einer Wasserspülung
mit reinem Wasser und ein Trocknen wurden unter Ausbildung eines Quarzglaszylinders
mit einer Länge
von 3500 mm, einem Außendurchmesser
(D) von 200 mm, und einem Innendurchmesser (ID) von 50 mm ausgeführt.
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Der
oben beschriebene Quarzglaszylinder wurde in einen Vertikal-Widerstandsheizofen
eingebracht, der einen Außendurchmesser
von 260 mm, einen Innendurchmesser (d) von 240 mm und eine Länge von
290 mm aufwies, wie in 1 dargestellt, wobei die Temperatur
des zylindrischen Heizers auf 2100°C eingestellt und der Quarzglaszylinder
zu einem Rohr mit einem Durchmesser (D') von 90 mm elongiert wurde. Der OV-Wert
des so erhaltenen Rohres war 0,1 mm und entsprechend der Formel
1 ergab sich eine Elliptizität
von (0,1/90) × 100
= 0,11 %. In diesem Fall betrug das Verhältnis (d/D) des Außendurchmessers
des Quarzglaszylinders und des Innendurchmessers des Heizofens 1,2,
wobei der Spalt zwischen dem Außendurchmesser
des Quarzglaszylinders und dem Innendurchmesser des Heizelementes
20 mm betrug.
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In
das oben beschriebene Rohr für
die Herstellung einer optischen Faser wurde ein ummantelter und
in ähnlicher
Weise mittels der VAD-Methode hergestellter Kernstab (Außendurchmesser
45 mm) eingesetzt, wodurch eine Vorform für optische Fasern mittels der
Stab-in-Rohr-Technik hergestellt wurde. Daraufhin wurde die Vorform
zu einer optischen Monomode-Faser von 125 μm gezogen, die eine Mantelelliptizität von 0,80 μm aufwies.
Die eben genannte Mantelelliptizität wird im Allgemeinen als maßgeblicher
Wert für
die Elliptizität
einer optischen Faser gewählt,
wobei eine optische Monomode-Faser mit einer Mantelelliptizität von 1
% oder weniger den Standard darstellt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Ein
Quarzglaszylinder mit einem Außendurchmesser
von 150 mm, einem Innendurchmesser von 50 mm und einer Länge von
3500 mm wurde zu einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 60 mm unter
Einsatz eines Widerstandsofens wie in Beispiel 1 elongiert. Der
OV-Wert des so erhaltenen Rohres betrug 0,4 mm und die Elliptizität war (0,4/60) × 100 =
0,67 %. In diesem Fall war das Verhältnis (d/D) von Außendurchmesser
D des Quarzglaszylinders und Innendurchmesser d des Heizofens 1,6
und die Spaltweite war 45 mm.
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Unter
Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens wurden optische Fasern
wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei die Mantelelliptizität 1,5 μm betrug, was
dem allgemeinen Standard nicht genügt.
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Wirkung der
Erfindung
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Mittels
dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung
kann eine großvolumige
Vorform aus Quarzglas für
optische Fasern mit geringer Elliptizität kostengünstig hergestellt werden, und
unter Einsatz der Vorform wurde eine Vorform für optische Fasern hergestellt
und durch Faserziehen der Vorform für optische Fasern kann eine optische
Faser hoher Qualität
mit geringer Mantelelliptizität
mit guter Produktivität
und kostengünstig
hergestellt werden. Daher ist der industrielle Wert der vorliegenden
Erfindung hoch.
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- 1
- Vorrichtung
für die
Zufuhr von Inertgas
- 2
- Heizofen
- 3
- Heizelement
- 4
- Quarzglaszylinder
- 5
- Quarzglasrohr
- D
- Außendurchmesser
des Quarzglaszylinders
- ID
- Innendurchmesser
des Quarzglaszylinders
- d
- Innendurchmesser
des Heizofens