DE69500319T2

DE69500319T2 - Verfahren zum Herstellen von monomodalen optischen Fasern aus Fluoridglas

Info

Publication number: DE69500319T2
Application number: DE69500319T
Authority: DE
Inventors: Marco Braglia; Giuseppe Cocito
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Optical Technologies Center Srl Turin/torino
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2015-03-14
Also published as: JPH07277756A; CA2142061C; CA2142061A1; JP2739683B2; US5656056A; ITTO940186A0; ITTO940186A1; IT1267418B1; DE672628T1; DE69500319D1; EP0672628A1; EP0672628B1

Description

Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf Lichtleitfasern für Fernmedezwecke und betrifft speziell ein Verfahren zum Herstellen von Fluoridglas-Monomode-Lichtieitfasern, umfassend die folgenden Schritte: Herstellen eines Rohrs, das eine äußere Schicht aus einem ersten Fluoridglas einer Zusammensetzung, wie sie zur Bildung des Faserüberzugs geeignet ist, und eine innere Schicht aus einem zweiten Fluoridglas einer Zusammensetzung, wie sie zur Bildung des Faserkerns geeignet ist, umfaßt; Dünnermachen der inneren Schicht durch chemisches Ätzen, bis ein Verhältnis zwischen den Volumina der inneren Schicht und der äußeren Schicht des Rohrs entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Kerndurchmesser und dem Überzugsdurchmesser, wie es für eine Monomodefaser erforderlich ist, erreicht ist; und Ziehen des als Ergebnis des vorhergehenden Schritts erhaltenen Rohrs.
Ein solches Verfahren ist bekannt aus JP-A-62 265140 ("Patent Abstracts of Japan" Band 12 (C-493)), die das chemische Ätzen eines hohlen Kerns einer Silica-Lichtleitfaser-Vorform durch Eintauchen des Kernteils in eine Ätzlösung, um ihn dünner zu machen und ein Verhältnis Überzug/Kemdurchmesser zu erhalten, das sich für eine Monomode-Faser eignet, beschreibt. Das angewandte Verfahren ist ein statisches Verfahren. Rohrförmige Vorformen, nämlich solche mit einem hohlen Kern, können gemäß der in der US-A-5 055 120 beschriebenen Technik hergestellt werden, wobei diese Druckschrift ein Verfahren zum Verteilen des Kemmatenais innerhalb des Überzugsrohrs durch Rotation mit hoher Drehzahl oder durch Gießen einer Fluoridglasschmelze in das Überzugsrohr beschreibt.
Bekanntlich benötigen Monomode-Lichtleitfasern aus Fluoridglas, die zur Herstellung von optischen Verstärkern hohen Wirkungsgrads dienen sollen, ein Verhältnis zwischen dem Kern- und dem Mantel- oder Überzugsdurchmesser in der Größenordnung von 1:100. Wird berücksichtigt, daß der Überzugs-Durchmesser dieser Fasern dem einer üblichen Lichtleiffaser für Femmeldezwecke (typischerweise 125 µm) entsprechen soll, und zwar aus offensichtlichen Gründen der Kompatibilität, so bedeutet dies, daß der Kerndurchmesser geringfügig größer als 1 µm (typischerweise etwa 1,5 µm) sein muß.
Allgemein angewandte Verfahren für die Herstellung von Vorformen für Fluoridglasfasern (beispielsweise solche, die in der Technik als "Rotationsgießen" oder als "Einbaugießen" und mit anderen Bezeichnungen bezeichnet werden) ermöglichen es nicht, Durchmesserverhältnisse in der genannten Größenordnung zu erhalten, sondern nur Verhältnisse in der Größenordnung von 2-3:10. Tatsächlich ist es einerseits unmöglich, Kerne zu bilden, deren Durchmesser kleiner ist als einige Millimeter, und andererseits darf der Maximumdurchmesser des Überzugs etwa 10 mm nicht überschreiten, da größere Durchmesser Glasstabilitätsprobleme verursachen und ein Ziehen der Vorform nicht mehr erlauben.
Aus diesem Grund ist es außer der oben angegebenen nicht allgemein angewandten Technik üblich, Monomode-Lichtleiffasern aus Fluoridglas dadurch herzustellen, daß man die Vorform vor dem Ziehen "streckt" und anschließend die gestreckte Vorform mit einem Rohr der selben Zusammensetzung wie der des Überzugs ummantelt. Das Strecken bewirkt eine Reduktion des Gesamtdurchmessers der ursprünglichen Vorform (und somit des Kerns); das Ummanteln mit dem Rohr, der ein Teil des Überzugs wird, ermöglicht die Erhöhung des Verhältnisses des Überzugsdurchmessers zum Kerndurchmesser. Es kann erforderlich sein, die Streckungs- und Ummantelungsoperationen mehrmals zu wiederholen, bevor das gewünschte Durchmesserverhältnis erreicht ist. Die schließliche Vorform wird dann gezogen, im allgemeinen nachdem sie kollabiert worden ist. Ein Beispiel dieser Technik ist beschrieben in dem Aufsatz "Fabrication of single mode ZBLAN optical fibres" von W. Andrews, D. Coulson und G. Rosman, Journal of Non-Crystalline Solids 140 (1992), Seiten 281 bis 284. Diese Technik erfordert wiederholte Operationen bei einer Temperatur, die höher ist als die Glasübergangstemperatur des Materials (speziell ist zusätzlich zum Herstellen und Ziehen der Vorform eine Heizung für jedes Strecken der Vorform und jedes Ummanteln mit einem Rohr erforderlich), und dies gibt Anlaß zu Vorgängen der Kristallisation oder Devitrifikation der Glasmatrix, wodurch die mechanischen und optischen Charakteristiken der Faser verschlechtert werden. Auch das Vorliegen zusätzlicher Trennflächen, die durch das Ummanteln der gestreckten Vorform erzeugt werden, trägt dazu bei, die mechanischen und optischen Charakteristiken der Faser zu verschlechtern.
Gemäß der Erfindung wird das beschriebene Verfahren dadurch verbessert, daß ein "dynamisches" Ätzen durchgeführt wird, nämlich ein Fließätzvorgang durch das Vorformrohr hindurch, und daß bei Umgebungstemperatur geätzt wird, so daß die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht wird, die Zahl der bis zum Erhalten der schließlichen Faser erforderlichen Heizphasen vermindert wird und die Formation zusätzlicher Zwischenflächen nicht notwendig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden zusätzlichen Schritte: Selektives Verbinden der beiden Enden des Rohrs mit einer Quelle einer chemischen Ätzlösung, mit einer Quelle von Wasser und mit einer Quelle eines Alkohols zum Einleiten der Materialien, die zur Behandlung des Rohrs erforderlich sind, in das Rohr und zum Zurückführen der gebrauchten Materialien zu den jeweiligen Quellen; und Zirkulieren durch das Rohr a) in einer ersten Operationsphase, der chemischen Ätzlösung bei Umgebungstemperatur für die zum Reduzieren der Dicke der inneren Schicht auf den geforderten Wert erforderliche Zeit, b) in einer zweiten Operationsphase, des Wassers bei Umgebungstemperatur zum Spülen des Rohrs, und c) in einer dritten Operationsphase, des Alkohols zum Beseitigen von restlichem Wasser aus dem Rohr.
Die Erfindung betrifft außerdem die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in Anspruch 5 gekennzeichnet ist; diese Vorrichtung ist insofern neu, als Einrichtungen zum Verbinden des Vorformrohrs mit Quellen von Behandlungsflüssigkeiten und Einrichtungen zu deren Einleiten in das Rohr betroffen sind.
Die Erfindung wird nunmehr ins einzelne gehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 einen schematischen Plan des Herstellungsprozesses eines Rohrs mit zwei Schichten, die aus verschiedenen Fluoridgläsern bestehen;
- Fig. 2 einen Querschnitt durch das Rohr; und
- Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Anlage, die für das Dünnermachen der inneren Schicht des Rohrs von Fig. 2 mit Hilfe von chemischem Ätzen verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt als ersten Schritt die Herstellung eines Rohrs, das zwei koaxiale Schichten umfaßt, und zwar aus dem für den Überzug (Mantel) bzw. für den Kern einer Fluoridglasfaser gefordertem Material. Um nur ein veranschaulichendes Beispiel zu geben, kann der Überzug aus einem ZHBLAN-Glas (das ist ein aus Fluoriden von Zr, Hf, Ba, La, Al, Na zusammengesetztes Glas) bestehen, während der Kern aus einem ZBLAYNP-Glas (das ist ein Glas, das aus Fluoriden von Zr, Ba, La, Al, Y, Na, Pb zusammengesetzt ist) bestehen kann. Wiederum nur als nicht beschränkendes Beispiel sei angenommen, daß das Rohr mit Hilfe der Rotationsgießtechnik geschaffen wird, jedoch können ebensogut andere bekannte Techniken angewandt werden, die üblicherweise zur Herstellung von Fluoridglasfaser-Vorformen verwendet werden. Eine detaillierte Beschreibung dieses Prozesses wird beispielsweise gegeben durch D. C. Tran u. a. in "Fluoride glass preforms prepared by a rotational casting process", Electronics Letters, Band 18 (1982), Seiten 657 und folgende.
Gemäß diesen Ausführungen wird nun, zur Bildung des Rohrs, das Gemisch der Bestandteile des Glases des Überzugs in eine Form 1 gegossen und auf eine Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur vorgeheizt. Die Form 1 soll einen solchen Innendurchmesser haben, daß der Außendurchmesser des resultierenden Rohrs kompatibel mit den Zieherfordernissen ist, also einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 10 mm (z. B. 8- 12 mm). Die Form wird in einem Gießofen in schnelle Drehung versetzt (beispielsweise 3000 Upm oder mehr), um so ein Rohr 2 zu erhalten (Phasen a, b in Fig. 1), das die äußere Schicht des schließlichen Rohrs bilden soll. Die Materialmenge soll so sein, daß eine 3,5 bis 4,5 mm dicke Schicht gebildet wird: hierdurch ergeben sich keine Probleme für die anschließende Bildung der Schicht, die zur Entstehung des Faserkerns dienen soll, wobei zu berücksichtigen ist, daß im allgemeinen der Durchmesser des erzielbaren axialen Rohrhohlraums mit dieser Technik nicht kleiner als einige Millimeter (z. B. 2-3 mm) ist. Nachdem die Schicht 2 verfestigt ist, wird sie bis zur Glasübergangstemperatur erhitzt und wird in den axialen Hohlraum 3 das geschmolzene Gemisch der Bestandteile des Kernglases gegossen und die Form 1 in Rotation versetzt, wie es zuvor beschrieben wurde, um eine innere Rohrschicht 4 zu bilden (Phasen c, d). Die für das Kemgemisch eingegossene Materialmenge soll so sein, daß beispielsweise eine Schicht, die höchstens 0,5 bis 1 mm dick ist, gebildet wird. Das schließliche Rohr 5 ist in Fig. 2 im Querschnitt dargestellt.
Der anschließende Schritt besteht darin, die innere Schicht 4 dünner zu machen, um ihre Dicke auf einen Wert von etwa 1/100 der Dicke der äußeren Schicht zu reduzieren (also auf etwa 30-40 µm), so daß in dem Rohr, das gezogen werden soll, das Verhältnis zwischen dem Kerndurchmesser und dem Überzugsdurchmesser das für die Herstellung einer Monomodefaser erforderliche Verhältnis wird.
Die Anlage, die die Durchführung dieses Dünnermachens erlaubt, ist in extrem vereinfächter Form in Fig. 3 dargestellt. Die beiden Enden des Rohrs 5 sind in Anschlußfassungen 6, 7 aus Teflon montiert, die mit einer Eingangsleitung 8 für die für die Behandlung des Rohrs erforderlichen Materialien und mit einer Ausgangsleitung 9 für die gebrauchten Materialien verbunden sind. Die Leitung 8 ist mit einer Pumpe 10, im speziellen Fall mit einer penstaltischen Pumpe, verbunden, die in Abhängigkeit von der Arbeitsphase über Auswahleinrichtungen 15 eine chemische Ätzlösung oder Wasser oder auch einen Alkohol aus Tanks 11, 12 bzw. 13 abzieht und sie in das Rohr 15 pumpt. Die Leitung 9 führt über verteilende Einrichtungen 16 die chemische Ätzlösung, die das abgetragene Material enthält, das Wasser und den Alkohol zu den jeweiligen Tanks zurück. Für das Verständnis der Erfindung ist es nicht notwendig, den Aufbau der Anlage mehr ins einzelne gehend zu beschreiben. Geeignete chemische Ätzlösungen sind beispielsweise Lösungen von HCl und ZrOCl&sub2; oder von HNO&sub3;, H&sub3;BO&sub3; und HCl. In beispielsweisen Durchführungsformen der Erfindung waren die Konzentrationen der Komponenten der ersten Lösung 1 M für HCl und 0,4 M für ZrOCl&sub2; und die Konzentrationen der Komponenten für die zweite Lösung 1 M für HCl, 0,5 M für H&sub3;BO&sub3; und 1 M für HNO&sub3;. Mit diesen Konzentrationen hat die erste Lösung eine Ätzrate am Kemmaterial in der Größenordnung von 400 µm/h unter statischen Bedingungen (d.h. im Fall eines reinen Eintauchens in die Lösung) und die zweite Lösung eine Ätzrate in der Größenordnung von 1200 µm/h, wiederum unter statischen Bedingungen. Ausgehend von der angegebenen ursprünglichen Dicke der inneren Schicht 4 ist ersichtlich, daß die zum Erzielen der schließlichen Dicke erforderlichen Zeiten verhältnismäßig kurz und mit den Erfordernissen einer industriellen Produktion kompatibel sind: Darüberhinaus sollte beachtet werden, daß die Ätzgeschwindigkeit in den bei der Erfindung angewandten dynamischen Bedingungen offensichtlich nennenswert höher ist als die unter statischen Bedingungen erzielbare Geschwindigkeit.
Die Ätzlösung wird in dem Rohr bei Umgebungstemperatur hindurchgeleitet, und dies stellt ein wesentliches Charakteristikum der Erfindung dar. Sobald die gewünschte Dicke erreicht ist, wird die Pumpe 10 vom Tank 11 der Ätzlösung getrennt und mit dem Tank 12 verbunden, um durchspülendes Wasser, ebenfalls bei Umgebungstemperatur, durch das Rohr 5 hindurchzuleiten. Anschließend wird die Pumpe vom Tank 12 abgehängt und mit dem Tank 13 verbunden, um durch das Rohr 5 zur Wasserenifernung Alkohol (vorteilhafterweise Methyl- oder Isopropylalkohol) hind urchzuleiten.
Sodann ist das Rohr bereit zum Ziehen, wofür das Rohrinnere unter ein leichtes Vakuum gesetzt wird, um die mögliche Bildung von Blasen zu vermeiden.
Das Ziehen eines Rohrs anstelle eines massiven Aufbaus wie einer üblichen Vorform bietet den Vorteil, daß ein höheres Materialvolumen bei einer gegebenen Temperatur und für einen gegebenen Thermalgradienten zwischen der Oberfläche und dem Zentrum des Rohrs gezogen werden kann oder umgekehrt, daß zum Ziehen einer gegebenen Materialmenge ein niedrigerer Thermalgradient genügt. Ein höheres Materialvolumen erlaubt offensichtlich das Erzielen längerer Fasern, während ein niedrigerer Gradient dazu beiträgt, die Qualität zu verbessern.
Wie ersichtlich ist, sind die bei hoher Temperatur im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführenden Operationen solche Operationen, wie sie zum Bilden und Ziehen des Rohrs notwendigerweise durchzuführen sind, ebenso wie bei den üblichen Prozessen, bei denen eine aktuelle Vorform hergestellt und gezogen wird. Indessen werden die Operationen, die zum Erzielen des gewünschten Abmessungsverhältnisses zwischen dem Überzug und dem Kern im zu ziehenden Zwischenprodukt nötig sind, bei Umgebungstemperatur durchgeführt, wodurch die nach der bekannten Technik erforderlichen Heizphasen zum Strecken der Vorform und zu deren Ummantelung mit einem Rohr aus dem Material des Überzugs entfallen. Außerdem vermeidet das direkte Ziehen des Rohrs, ohne es zu kollabieren, eine weitere Heizphase des Materials.
Es ist ersichtlich, daß das Beschriebene nur als nicht-begrenzendes Beispiel gegeben wurde und daß Variationen und Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

1.Verfahren zum Herstellen von Fluoridglas-Monomode-Lichtleitfasern, umfassend die folgenden Schritte:

- Herstellen eines Rohrs (5), das eine äußere Schicht (2) aus einem ersten Fluoridglas einer Zusammensetzung, wie sie zur Bildung des Faserüberzugs geeignet ist, und eine innere Schicht (4) aus einem zweiten Fluoridglas einer Zusammensetzung, wie sie zur Bildung des Faserkerns geeignet ist, umfaßt;

- Dünnermachen der inneren Schicht (4) durch chemisches Ätzen, bis ein Verhältnis zwischen den Volumina der inneren Schicht (4) und der äußeren Schicht (2) des Rohrs (5) entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Kerndurchmesser und dem Überzugsdurchmesser, wie es für eine Monomodefaser erforderlich ist, erreicht ist; und

- Ziehen des als Ergebnis des vorhergehenden Schritts erhaltenen Rohrs (5);

dadurch gekennzeichnet daß das Dünnermachen der inneren Schicht (4) die folgenden Schritte umfaßt:

- Selektives Verbinden der beiden Enden des Rohrs (5) mit einer Quelle (11) einer chemischen Ätzlösung, mit einer Quelle (12) von Wasser und mit einer Quelle (13) eines Alkohols zum Einleiten der Materialien, die zur Behandlung des Rohrs erforderlich sind, in das Rohr und zum Zurückführen der gebrauchten Materialien zu den jeweiligen Quellen (11, 12, 13),

- Zirkulieren durch das Rohr (5): a) in einer ersten Operationsphase, der chemischen Ätzlösung bei Umgebungstemperatur für die zum Reduzieren der Dicke der inneren Schicht auf den geforderten Wert erforderliche Zeit; b) in einer zweiten Operationsphase, des Wassers bei Umgebungstemperatur zum Spülen des Rohrs (5); und c) in einer dritten Operationsphase, des Alkohols zum Beseitigen von restlichem Wasser aus dem Rohr (5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum chemischen Ätzen eine Lösung von HCl und ZrClO&sub2; oder eine Lösung von HNO&sub3;, H&sub3;BO&sub3; und HCl verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem chemischen Ätzen resultierende Rohr (5) direkt gezogen wird, ohne kollabiert zu werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ziehen innerhalb des Rohrs (5) ein Vakuum erzeugt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bearbeiten des Rohrs (5), das aus einer äußeren Schicht (2) aus einem ersten Fluoridglas einer Zusammensetzung, die sich zur Bildung des Überzugs einer Fluoridglas-Lichtleitfaser eignet, und einer inneren Schicht (4) aus einem zweiten Fluoridgias einer Zusammensetzung, die sich zur Bildung des Faserkerns eignet, besteht; dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:

- Quellen (11, 12, 13) einer chemischen Ätzlösung bei Umgebungstemperatur, von Wasser bei Umgebungstemperatur und eines Alkohols;

- eine Eingangsleitung (8), die mit einem Ende des Rohrs (5) verbunden ist;

- eine Pumpe (10) und Einrichtungen (15) zum selektiven und zeitweisen Verbinden der Eingangsleitung (8) mit einer der Quellen (11, 12, 13) in aufeinanderfolgenden Operationsphasen;

- eine Ausgangsleitung (9), die mit dem anderen Ende des Rohrs (5) verbunden ist, und Einrichtungen (16), die in jeder Operationsphase die Ausgangsleitung (9) mit der selben Quelle verbinden, mit der die Eingangsleitung (8) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine peristaltische Pumpe (10) ist.