DE69818035T2

DE69818035T2 - Verfahren zur bekleidung einer optischen faser mit einer schicht während des ziehens und anordnung zur durchführung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE69818035T2
Application number: DE69818035T
Authority: DE
Inventors: Yves Ruello; Benoit Cadier
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: US6475620B1; FR2763327B1; CN1264353A; WO1998051632A1; FR2763327A1; EP0981502B1; JP2001524921A; EP0981502A1; CN1113826C; DE69818035D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Lichtwellenleiters im Laufe des Faserziehens. Diese Beschichtung dient dazu, den Lichtwellenleiter besser gegen Feuchtigkeit zu schützen und seine Lebensdauer zu erhöhen.
Die Lichtwellenleiter werden heute oft in Fernmeldenetzen verwendet. Sie sind auch dazu vorgesehen, die Informationsübertragung bis zum Endverbraucher zu gewährleisten. Diese Fasern, die aus Quarzglas (SiO₂) hergestellt werden, sind jedoch gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit empfindlich, die ihre Dauerfestigkeit und daher auch ihre Lebensdauer stark beeinträchtigt.
Ein Problem besteht daher darin, eine Lösung dafür zu finden, die Lichtwellenleiter kostengünstig gegen Umgebungsfeuchtigkeit zu schützen, ohne ihre mechanische Festigkeit zu beeinträchtigen. Hierzu wurden bereits mehrere Typen von sogenannten "hermetisch dichten" Beschichtungen untersucht und entwickelt, die eine sehr geringe Permeabilität gegenüber Wasserdampf aufweisen.
Mit diesen hermetisch dichten Beschichtungen kann die Dauerfestigkeit der Fasern und daher ihre Lebensdauer erhöht werden.
Die folgende Relation drückt die Lebensdauer einer Faser in Abhängigkeit von der kritischen Belastung σc, der aufgebrachten Belastung σa und einem Faktor n aus, der die Permeabilität der Faser angibt: tf = B × σcn-2/σan;wobei B eine Konstante ist.
Nach Bestimmung der Lebensdauer tf, d. h. der Beanspruchungsdauer bis zum Bruch, in Abhängigkeit von den verschiedenen aufgebrachten Belastungen kann der Wert von n abgeleitet werden, indem die Kurve ln tf = f(ln σa) aufgetragen wird.
Je geringer die Permeabilität der Faser gegenüber Wasserdampf ist, desto höher ist der Wert von n und desto mehr wird die Lebensdauer tf verlängert.
Die verschiedenen hermetisch dichten Beschichtungen, die bis jetzt untersucht wurden, sind Materialien vom Keramiktyp, Metalltyp, Kohlenstofftyp und vom Typ der hydrophoben Polymere.
Die Keramiken sind beispielsweise vom Typ Siliciumcarbid, Titancarbid oder Siliciumnitrid. Ihre Abscheidung auf den Lichtwellenleitern wird nach wohlbekannten Verfahren der chemischen Abscheidung in der Gasphase durchgeführt, die in angelsächsischer Terminologie auch als "Chemical Vapor Deposition" (CVD) bezeichnet wird. In diesem Fall liegt die mit dem Verfahren verbundene Abscheidungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 60 nm/min, d. h., sie ist deutlich zu gering, um mit einem dynamischen Ziehverfahren kompatibel zu sein, bei dem die Durchlaufgeschwindigkeit eines Lichtwellenleiters im Allgemeinen über 20 m/min liegt. Außerdem werden Abscheidungen dieses Beschichtungstyps zwingend an Sub straten durchgeführt, die auf eine Temperatur von mindestens 900°C erwärmt wurden.
Metallische Beschichtungen, wie beispielsweise Beschichtungen aus Aluminium, Zink oder Weißblech, werden nach dem so genannten "Freezing"-Verfahren hergestellt, das darin besteht, eine Faser mit einem geschmolzenen Metall zu tränken. Diese Art von Verfahren kann keinesfalls bei einem Spinnvorgang durchgeführt werden. Die Abscheidegeschwindigkeit wird nämlich durch das Abkühlen des geschmolzenen Metalls beschränkt und- ist daher mit der Ziehgeschwindigkeit nicht kompatibel. Die mit solchen Beschichtungen überzogenen Fasern werden nur für spezielle Anwendungen eingesetzt, beispielsweise die Herstellung von Sensoren oder von Komponentenfasern, oder im Falle von Metallen wie Aluminium, Kupfer oder Gold wegen ihrer Beständigkeit bei hohen Temperaturen. Die metallischen Beschichtungen müssen außerdem zwingend auf Substrate aufgebracht werden, die auf Temperaturen von mindestens 900° C erwärmt wurden.
Es wurden auch Beschichtungen aus Kohlenstoff in Betracht gezogen. Diese Beschichtungen betreffen sowohl Kohlenstoff vom Typ "Diamant" als auch Kohlenstoff vom Typ "Graphit". Sie werden nach dem herkömmlichen Verfahren der chemischen Abscheidung in der Gasphase (CVD) bei Atmosphärendruck an Fasern durchgeführt, die sich in einem Reaktor befinden. Die erhaltenen Fasern weisen im Allgemeinen eine gute Dauerfestigkeit mit einem Faktor n in der Größenordnung von 100 auf, ihre mechanische Festigkeit wird jedoch beeinträchtigt. Die verwendeten Reaktanten vom Typ der Kohlenwasserstoffe liegen außerdem in großen Mengen vor und ver schmutzen die Wände des Reaktors. Aufgrund dieser Verschmutzung kann eine Beschichtung mit hoher Qualität nur über sehr begrenzte Faserlängen erfolgen und Recycling-Verfahren müssen häufig durchgeführt werden. Dadurch werden die Kosten der Fasern beträchtlich erhöht.
Der Kohlenstoff vom Typ "Diamant" scheidet sich auf einer Faser ab, die auf eine Temperatur von 200°C oder darüber erwärmt wurde. Bei dieser Temperatur scheidet sich der Kohlenstoff jedoch auch auf den Reaktorwänden ab. Um eine Verschmutzung zu vermeiden, ist es notwendig, die Reaktorwände im Vergleich mit der Faser deutlich zu kühlen. Eine solche Kühlung auf Temperaturen unter 200 °C ist jedoch schwierig durchzuführen.
Es wurden schließlich auch Beschichtungen mit hydrophoben Polymeren untersucht. Die Abscheidung ist identisch mit der herkömmlichen Abscheidung. Die Dichtigkeit dieses Typs von Beschichtung wird jedoch nach Exposition gegenüber Feuchtigkeit ständig geringer und die Beschichtung verliert nach einigen Jahren ihre hydrophoben Eigenschaften.
In der Druckschrift WO-96/06054 ist ein Verfahren zur Abscheidung von Bor auf einem Lichtwellenleiter beschrieben worden.
Mit der vorliegenden Erfindung soll den angegebenen Nachteilen abgeholfen werden und es wird ein kostengünstiges Verfahren vorgeschlagen, mit dem eine hermetisch dichte Beschichtung auf einem Lichtwellenleiter mit hoher Geschwindigkeit abgeschieden werden kann, die mit dem Ziehvorgang kompatibel ist, ohne dass die mechanischen Eigenschaften der Faser beeinträchtigt werden.
Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Abscheidung einer Beschichtung auf einem Lichtwellenleiter im Laufe des Faserziehens, wobei die Beschichtung dazu vorgesehen ist, den Lichtwellenleiter besser vor Feuchtigkeit zu schützen und die Lebensdauer des Lichtwellenleiters zu erhöhen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, das es darin besteht, ein gasförmiges Gemisch von Borhalogenid und Wasserstoff und/oder Borhalogenid und Ammoniak durch einen Mikrowellenplasma-gestützten Energieeintrag zu zersetzen, und dadurch, dass in Gegenwart eines Trägergases gearbeitet wird, das einerseits dazu dient, das Gasgemisch in ein Reaktionsmedium zu bringen, und andererseits das Plasma aktivieren soll.
Bor und Kohlenstoff sind im Periodensystem der Elemente benachbart und Bor besitzt daher ähnliche Eigenschaften wie Kohlenstoff. Seine Chemie hat daher einen starken kovalenten Charakter. Seine elektronische Struktur erklärt außerdem seinen geringen Atomradius, seine hohe Dichte und seine sehr große Härte. Es besitzt im Übrigen einen geringen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Erweichungstemperatur. Das Bornitrid ist ebenfalls sehr hart und wird im Allgemeinen dazu verwendet, die Abriebfestigkeit und die Verschleißfestigkeit von verschiedenen Gegenständen zu verbessern.
Die Herstellung von Bor durch Reduktion von Borhalogeniden, wie beispielsweise Chloriden oder Bromiden, unter Wasserstoff ist unter dem Namen Van-Arkel-Reaktion wohlbekannt. In gleicher Weise erfolgt die Herstellung von Bornitrid durch Reduktion von Borhaloge nid in Gegenwart von Ammoniak. Die für die chemische Reaktion erforderliche Energie wird im Allgemeinen entweder durch Erwärmen im Laufe einer Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder durch Plasma-gestütztes Erwärmen im Laufe einer Abscheidung aus der Gasphase, die in angelsächsischer Terminologie auch als "Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition" (PACVD) bezeichnet wird, zugeführt.
Außerdem scheint das Borbromid ein interessanter Reaktant zu sein, da es mit Borbromid möglich ist; Beschichtungen auf Substraten zu realisieren, die auf Temperaturen ab 400°C erwärmt wurden, welche ausreichend niedrig sind, damit ein Verschmutzen der Reaktorwände vermieden werden kann.
Mit dem Trägergas kann das Gasgemisch in das Innere einer Reaktionskammer mitgeführt und das Plasma aktiviert werden. Die Gegenwart des Trägergases ermöglicht es daher, die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Zersetzung des Borhalogenids und damit die Abscheidegeschwindigkeit des Bor und/oder Bornitrids auf der Faser zu erhöhen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Abscheidegeschwindigkeit hoch; sie liegt in der Größenordnung von 300 bis 500 μm/h und ist mit der Geschwindigkeit beim Faserziehen eines Lichtwellenleiters kompatibel. Mit der erhaltenen Beschichtung kann die Dauerfestigkeit der Faser erhöht werden, wobei der Faktor n bei 100 oder darüber liegt, ohne dass die mechanische Festigkeit beeinträchtigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Übrigen kostengünstig.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

– eine röhrenförmige Reaktionskammer, die an ihren Enden am Einlass eine Schleusenkammer (Einlassschleuse) bzw. am Auslass eine Schleusenkammer (Auslassschleuse) aufweist, die es ermöglichen, dass der Lichtwellenleiter kontinuierlich in die Kammer eingeführt werden kann,
– ein Kühlsystem, mit dem die Wand der Reaktionskammer auf einer konstanten Temperatur unter 100°C gehalten werden kann,
– einen Pumpensatz, der einerseits mit der Reaktionskammer verbunden ist, um das restliche Gas abzufangen und den Druck konstant zu halten, und andererseits mit der Einlassschleuse und der Auslassschleuse verbunden ist, um einen Druck aufrechtzuerhalten, der mit dem Druck im Inneren der Reaktionskammer identisch ist oder in der Nähe dieses Drucks liegt,
– eine zentrale Gaseinheit, die mit der Einlassschleuse und/oder der Reaktionskammer verbunden ist, und
– Einrichtungen zur Mikrowellenplasma-gestützten Erwärmung.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die in Bezug auf die beigefügten Figuren beispielhaft angegeben ist und nicht einschränkend zu verstehen ist, wobei:
1 schematisch einen herkömmlichen Ziehturm zeigt, in den eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens integriert wurde,
2 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt, und
3 schematisch die Einlassschleuse und die Auslassschleuse zeigt, die sich auf beiden Seiten der Reaktionskammer der Vorrichtung der 2 befinden.
Der Vorgang des Faserziehens besteht darin, eine Faservorform in eine Faser umzuwandeln. In der 1 hat die Vorform das Bezugszeichen 1 und die Faser das Bezugszeichen 2. Die Vorform 1 wird in einem Hochfrequenzofen 10 auf eine solche Temperatur erwärmt, dass sie gezogen werden kann. Diese Temperatur liegt im Allgemeinen bei 2400°C oder darüber. Die Siliciumdioxidschmelze wird dann so gezogen, dass eine Faser 2 gebildet wird.
Die Faser 2, die aus dem Ziehofen kommt, muss konstante und wohldefinierte Abmessungen haben. Diese Abmessungen sind insbesondere von der Ziehtemperatur und der Zugbelastung an der Faser abhängig. Mit einer Vorrichtung 30 kann der Durchmesser der Faser 2 gemessen werden. Die Messung des Durchmessers dient im Übrigen dazu, die Geschwindigkeit einer Trommel 20 zu regeln, auf die die Faser 2 aufgerollt wird.
Eine solche Faser 2 ist jedoch brüchig und an der Oberfläche gebildete, leichte Beschädigungen können der mechanischen Festigkeit der Faser in beträchtlichem Maße abträglich sein. Daher ist es wichtig, dass die Faser 2 mit einer abriebfesten Schutzschicht überzogen wird, wobei der Abrieb insbesondere von der Trommel 20 verursacht werden kann. Die Schutzschicht wird am Auslass des Ziehofens auf der Faser abgeschieden, indem die Faser durch ein Reservoir 40 geleitet wird, das einen Kunststoff in flüssigem Zustand enthält. Der Kunststoff an der Faser wird dann entweder durch die Einwirkung von Wärme in einem Polymerisationsofen 50 oder durch die Einwirkung von UV-Strahlung verfestigt. Bei dem Kunststoff kann es sich um ein Siliconharz, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyimid oder Polymethylacrylat handeln. Die Beschichtung und die Faser müssen streng konzentrisch sein. Die Faser 2 wird dann auf ein Antriebselement 60 transferiert, mit dem die Ziehgeschwindigkeit eingestellt werden kann, bevor sie auf die Trommel 20 gewickelt wird.
Die zum Schutz der Faser 2 gegen Abrieb verwendete Kunststoffbeschichtung ist jedoch gegenüber Wasserdampf nicht impermeabel: Der Faktor n ist gering und liegt in der Größenordnung von 20 bis 30. Für einen besseren Schutz der Faser gegen Wasserdampf muss daher eine zweite Beschichtung auf der Faser aufgebracht werden. Diese hermetisch dichte Beschichtung wird vorzugsweise vor der Abscheidung der abriebfesten Beschichtung direkt am Auslass des Ziehofens auf die Faser aufgebracht.
Die Vorrichtung, mit der die hermetisch dichte Beschichtung abgeschieden werden kann, wird daher am Auslass des Ziehofens 10 vor dem Reservoir 40 für den flüssigen Kunststoff angebracht. Diese Vorrichtung ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 100 versehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden mit Bezug auf die 2 noch besser verständlich, die schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, eine Beschichtung, die Bor und/oder Bornitrid enthält, auf einer Faser abzuscheiden, die mit hoher Geschwindigkeit gezogen wird. Die Ziehgeschwindigkeit liegt im Allgemeinen über 20 m/min und kann Werte in der Größenordnung von 500 m/min erreichen.
In der folgenden Beschreibung besteht die Faser 2, die auch als Substrat bezeichnet wird, aus Siliciumdioxid und weist einen Durchmesser von 125 μm auf. Dies ist natürlich nur ein Beispiel und in einer Ausführungsform kann das Substrat auch in Form eines Rohrs oder beliebigen anderen Profilen aus SiO₂ mit einigen mm² Querschnitt vorliegen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheideverfahrens besteht darin, ein gasförmiges Gemisch von Borhalogenid und Wasserstoff und/oder Borhalogenid und Ammoniak durch den Mikrowellenplasma-gestützten Eintrag der Reaktionsenergie zu zersetzen. Die Reaktionsenergie wird beispielsweise in Form von thermischer Energie zugeführt. Das Borhalogenid ist vorzugsweise Bortribromid. Dieser Reaktant ist nämlich deswegen interessant, da Bor oder Bornitrid auf einer Faser abgeschieden werden kann, die auf eine relativ niedrige Temperatur von 400°C oder darüber erwärmt wurde.
Andererseits wird vorteilhaft ein gegenüber dem Reaktionsmedium inertes Trägergas eingesetzt, um das Gasgemisch in das Reaktionsmedium zu bringen und das Plasma zu aktivieren. Durch die Gegenwart dieses Trägergases wird die Geschwindigkeit der Borhalogenid-Zersetzung beträchtlich erhöht. Dadurch ist die Abscheidegeschwindigkeit des Bor und/oder Bornitrids wesentlich höher als in Abwesenheit des Trägergases. Bei dem Gas kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder Argon handeln. Argon wird bevorzugt verwendet, da es eine bessere Aktivierung des Plasmas erlaubt und daher zu einer besseren Ausbeute bei der Zersetzung des Bortribromids führt.
Die Zersetzungsreaktionen des Bortribromids in Gegenwart von Wasserstoff oder Ammoniak können folgendermaßen ausgedrückt werden: 2BBr₃ + 3H₂ → 2B + 6HBr: Abscheidung von Bor BBr₃ + NH₃ → BN + 3HBr: Abscheidung von Bornitrid.
In beiden Fällen liegen Wasserstoff und Ammoniak im Vergleich mit dem Halogenid vorzugsweise im Überschuss vor, damit eine vollständige Zersetzung des Bortribromids sichergestellt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in der Ziehstraße am Auslass des Ziehofens angeordnet ist, umfasst: Eine Reaktionskammer 110, ein Kühlsystem 120, einen Pumpensatz 150, eine zentrale Gaseinheit 140 und Einrichtungen 160, 161, 162, 163, die zur Mikrowellenplasma-gestützten Erwärmung vorgesehen sind.
Bor und/oder Bornitrid müssen sich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf der Faser abscheiden, die durch das Reaktionsmedium gezogen wird. Aufgrund der faserförmigen Gestalt des Substrats und um eine Abscheidungsqualität aufrechtzuerhalten, die mit den hohen Ziehgeschwindigkeiten kompatibel ist, sollte sich die Plasmazone in der Verschiebungsachse der Faser 2 ausdehnen.
Hierzu liegt die Reaktionskammer 110 vorteilhaft in Röhrenform vor. Sie besteht vorzugsweise aus Quarz. Sie besitzt einen Innendurchmesser in der Größenordnung von 20 mm und eine Länge in der Größenordnung von beispielsweise 1 m. Die Abmessungen der Reaktionskammer sind selbstverständlich nicht auf diese Werte beschränkt, sie können auch mehr oder weniger groß sein. Die Reaktionskammer 110 ist im Übrigen symmetrisch zwischen den Enden eines Kopplers angeordnet, der das Plasma aufrechterhalten soll.
Außerdem wird vorteilhaft ein Kühlsystem 120 vorgesehen, um die Wand der Reaktionskammer auf einer konstanten Temperatur unter 100°C zu halten. Hierzu umfasst die Reaktionskammer 110 eine Doppelwand 121, in die aus dem Kühlsystem 120 ein dielektrisches Öl, beispielsweise ein Öl auf Siliconbasis, eingespritzt wird. Das Öl weist eine konstante Temperatur in der Größenordnung von 5°C auf und läuft in einem geschlossenen Kreislauf um. Es wird in die Dop pelwand 121 am unteren Ende B der Reaktionskammer eingespritzt und kommt am oberen Ende H der Reaktionskammer wieder heraus.
Die Doppelwand 121 wird vorteilhaft durch ein zweites Quarzrohr gebildet, dessen Innendurchmesser beispielsweise im Bereich von 29 bis 35 mm liegt.
Durch dieses Kühlsystem ist es möglich, die Wand der Reaktionskammer auf einer Temperatur in der Gegend von 100°C oder darunter zu halten, wodurch jede Verschmutzungsgefahr durch Abscheidung der Reaktanten auf der Wand unterbunden wird.
Andererseits weist die Reaktionskammer 110 an jedem Ende eine Einlassschleuse 131 bzw. eine Auslassschleuse 132 auf. Die Einlassschleuse 131 befindet sich am oberen Ende H der Reaktionskammer und die Auslassschleuse 132 am unteren Ende B der Reaktionskammer. Die beiden Schleusenkammern sind so konzipiert, dass der Lichtwellenleiter 2 kontinuierlich ins Innere der Reaktionskammer 110 gelangen kann. Sie werden detaillierter in Bezug auf die 3 beschrieben.
Eine zentrale Gaseinheit 140 ist im Übrigen mit der Einlassschleuse 131 und/oder der Reaktionskammer 110 verbunden, damit einerseits das Trägergas und andererseits das Gasgemisch aus Bortribromid und Wasserstoff und/oder Bortribromid und Ammoniak eingespeist werden kann.
Die Gase werden vorzugsweise in Flaschen aufbewahrt, die sich in einem Schrank außerhalb des Gebäudes befinden. Sie werden durch die Leitungen 142 zur zentralen Einheit 140 geleitet.
Die zentrale Gaseinheit ist vorzugsweise mit einer Temperaturregelung ausgestattet, damit gegebenenfalls auftretende Kondensationsphänomene vermieden und die Gase auf einer konstanten Temperatur in der Größenordnung von 40°C gehalten werden können. Außerdem ist das Bortribromid vorteilhaft in einem Einperlsystem (Bubbler) 141 enthalten, dessen Temperatur ebenfalls auf etwa 40°C gehalten wird.
Die zentrale Einheit 140 ermöglicht es außerdem, das Gasgemisch von Bortribromid und Wasserstoff und/oder Bortribromid und Ammoniak herzustellen. Hierzu kann mit einer Gruppe von Durchflussmessern, die in der 2 mit H₂ und NH₃ bezeichnet sind, der Durchsatz von Wasserstoff und/oder Ammoniak geregelt werden, die durch den Bubbler 141 geleitet werden, um das Bortribromid mitzunehmen. Ein mit Ar bezeichneter Durchflussmesser dient zur Regelung des Durchsatzes des Trägergases. Die Menge an mitgeführtem Bortribromid hängt nicht nur von der Temperatur des Bubblers 141, sondern auch vom Durchsatz der Gase Wasserstoff, Ammoniak und Argon ab.
Wasserstoff und/oder Ammoniak liegen vorzugsweise im Bezug auf Bortribromid im Überschuss vor, damit gewährleistet ist, dass das Borhalogenid vollständig zersetzt wird. Aufgrund der Gegenwart des Trägergases, das es ermöglicht, das Gasgemisch mitzunehmen und das Plasma zu aktivieren, ist es außerdem möglich, geringe Mengen der Reaktanten einzusetzen. Das Volumenverhältnis von Wasserstoff und Bortribromid (H₂/BBr₃) und/oder das Volumenverhältnis von Ammoniak und Bortribromid (NH₃/BBr₃) liegt daher unter 50. Es liegt vorzugsweise im Bereich von 15 bis 40.
Der Durchsatz von Wasserstoff und/oder Ammoniak liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 1000 cm³/min und das Trägergas Argon strömt vorzugsweise mit einem Durchsatz von 10 bis 100 cm³/min.
Das Trägergas, das in dem Reaktionsmedium zirkuliert, befindet sich außerdem in der Nähe des Lichtwellenleiters, damit die Reaktivität an der Oberfläche der Faser erhöht werden kann. Dadurch wird die Abscheidung von Bor und/oder Bornitrid an der Oberfläche der Faser erleichtert und die Beschichtung hat eine höhere Qualität.
Ein Pumpensatz 150 ist mit der Einlassschleuse 131 und der Auslassschleuse 132 und der Reaktionskammer 110 verbunden. Der Pumpensatz ermöglicht es, zwei verschiedene Arten von Pumpvorgängen auszuführen.
Ein erstes Pumpen P1 wird am unteren Ende B der Reaktionskammer 110 durchgeführt, um den Druck in der Kammer 110 konstant zu halten und die gegebenenfalls vorliegenden restlichen Gase abzufangen. Dieses erste Pumpen kann beispielsweise mit Hilfe einer Trockenpumpe erfolgen. Die geringe Menge der verwendeten Reaktanten in Kombination mit dem kontinuierlichen Absaugen P1 ermöglicht es, die sich aus der Verschmutzung und dem Recycling ergebenden Probleme zu beseitigen.
Ein zweites oder differentielles Pumpen P2 wird andererseits an der Einlassschleuse 131 und der Auslassschleuse 132 durchgeführt. Mit dem differentiellen Pumpen P2 kann in den beiden Schleusen ein Druck aufrechterhalten werden, der mit dem Druck im Inneren der Reaktionskammer 110 identisch ist oder in der Nähe dieses Drucks liegt.
Das Mikrowellen-gestützte Erwärmen (PACVD) erfolgt mit einer herkömmlichen Anlage, die einen Koppler und ein Abstimmgerät 161, einen metallischen Leiter 162, der die Reaktionskammer 110 über die gesamte Länge bedeckt, einem Magnetron 160 und einem Mikrowellengenerator mit variabler Leistung 163 umfasst. Die verwendete Mikrowellenleistung liegt vorzugsweise über 500 W.
In der 3 sind die Einlassschleuse 131 und die Auslassschleuse 132, die sich an den beiden Enden der Reaktionskammer 110 befinden, detaillierter schematisch dargestellt. In dieser Figur ist die Reaktionskammer 110 schematisch einfach als Viereck dargestellt, in Wirklichkeit liegt sie natürlich wie in Bezug auf die 2 beschrieben vor.
Die Einlassschleuse 131 und die Auslassschleuse 132 sind so konzipiert, dass der Lichtwellenleiter 2 von außen, wo Atmosphärendruck herrscht, mit hoher Geschwindigkeit ins Innere der Reaktionskammer 110 gelangen kann, wo der Druck in der Größenordnung von Millibar (1 mbar entspricht 100 Pa) liegt. Der Druck im Inneren der beiden Schleusen ist daher identisch mit dem Druck im Inneren der Reaktionskammer oder liegt in der Nähe dieses Drucks, um Störungen zu vermeiden, die von einem plötzlichen Druckabfall verursacht werden und bei der Abscheidung auftreten können. Hierzu wird das zweite oder differentielle Pumpen P2 in beiden Schleusen 131 und 132 durchgeführt.
Um jedes mögliche Eindringen von Sauerstoff zu verhindern, das die Abscheidung von Bor und/oder Bornitrid verlangsamen und die Qualität der Beschichtung beeinträchtigen kann, wird das Trägergas Argon vorteilhaft zwischen der differentiellen Pumpeinheit P2 und der Reaktionskammer 110 in die Einlassschleuse 131 eingeführt.
Die Gase H₂-BBr₃ oder NH₃-BBr₃ werden entweder mit dem Argon in die Einlassschleuse oder an ihrem oberen Ende H direkt in die Reaktionskammer, wie dies in der 2 dargestellt ist, eingeleitet.
Die Einlassschleuse 131 und die Auslassschleuse 132 weisen außerdem Düsen 135 auf. Mit diesen Düsen 135 kann der Lichtwellenleiter 2, der mit hoher Geschwindigkeit gezogen wird, hindurchtreten, ohne dass er brüchig wird, da jeglicher Kontakt vermieden wird.
Die Einlassschleuse 131 umfasst drei Düsen 135, die durch zwei freie Räume getrennt sind, in denen differentiell gepumpt (P2) bzw. das Argon eingeführt wird. Die Auslassschleuse 132 weist zwei Düsen 135 auf, die durch einen freien Raum getrennt sind, an dem differentiell gepumpt wird (P2).
Die Düsen 135 liegen vorzugsweise in konischer Form vor und ihr Durchmesser ändert sich linear von 300 auf 700 μm, wenn der Durchmesser des Lichtwellenleiters beispielsweise 125 μm beträgt.
Sie werden aus einem Material vom Keramiktyp oder Polymertyp hergestellt, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen oder Polyamidimid.
Im Folgenden werden drei Beispiele beschrieben, die drei verschiedenen Versuchsreihen entsprechen. Sie sind zur Erläuterung angegeben, sollen jedoch nicht einschränkend verstanden werden.
Die Abscheidung der hermetisch dichten Beschichtung auf der Basis von Bor und/oder Bornitrid beginnt nach dem Schritt des Ziehens der Faser 2, d. h., wenn die Faser 2 einen konstanten Durchmesser aufweist und wenn sie in das Innere der Reaktionskammer mit einer konstanten Ziehgeschwindigkeit im Allgemeinen über 20 m/min gelangt. Vor der Abscheidung wird in der Reaktionskammer ein Vakuum von unter 10–2 mbar (≌1 Pa) erzeugt.
Die verschiedenen Betriebsbedingungen bei der Abscheidung hängen von mehreren Parametern ab. In den beschriebenen Beispielen werden insbesondere die Durchsätze der verwendeten Gase und die Ziehgeschwindigkeit variiert.
Beispiel 1: (Versuchsreihe Nr. 1)

Dieses Beispiel entspricht einer ersten Versuchsreihe, in der die Durchsätze der Gase und die Ziehgeschwindigkeit in einem relativ geringen Wertebereich variiert werden.

Länge der Reaktionskammer:	800 mm
Temperatur von BBr₃:	40°C
Temperatur des Kühlmittels:	5°C
Substrattemperatur:	im Bereich von 500 bis 850°C
Mikrowellenleistung:	im Bereich von 500 bis 1000 W
Ziehgeschwindigkeit:	80 m/min
Druck:	im Bereich von 0,2 bis 0,8 mbar
Ar-Druck in der Einlassschleuse:	im Bereich von 0,1 bis 0,3 mbar
Durchsatz von Argon im BBr₃-Bubbler:	im Bereich von 10 bis 20 cm³/min
Wasserstoffdurchsatz:	im Bereich von 200 bis 400 cm³/min

Die Beschichtung wird in Abhängigkeit von den verwendeten Gasdurchsätzen und dem Druck im Inneren der Reaktionskammer mit einer Dicke von 100 bis 500 Å (1 Å = 10^–10 m) abgeschieden. Die Schicht enthält hauptsächlich Bor in der Größenordnung von 80 bis 85% und geringe Mengen (unter 3%) an Verunreinigungen, wie Brom. Dieses Beispiel zeigt, dass es möglich ist, hermetisch dichte Beschichtungen mit relativ niedrigen Gasdurchsätzen abzuscheiden. Das Argon ermöglicht es, das Gasgemisch H₂-BBr₃ mitzunehmen, wobei die eingesetzten Mengen der Reaktanten niedriger sind als bei Fehlen des Trägergases.
Durch die Gegenwart von Argon kann außerdem das Plasma aktiviert und daher die Geschwindigkeit der Zersetzung von BBr₃ erhöht werden. Dadurch wird die Abscheidegeschwindigkeit erhöht und somit mit dem Ziehverfahren kompatibel gemacht. Die Abscheidegeschwindigkeit liegt in diesem Beispiel in der Größenordnung von 300 μm/h.
Andererseits wird jegliche Abscheidung von Bor oder Bornitrid auf der Wand der Reaktionskammer, die auf eine Temperatur von 100°C oder darunter gekühlt ist, und damit die Verschmutzung der Reaktionskammer vermieden.
Es gibt derzeit zwei Methoden, die häufig zur Charakterisierung eines Lichtwellenleiters vom mechanischen Gesichtspunkt angewandt werden. Ein Verfahren besteht darin, die Reißfestigkeit zu bestimmen; die andere besteht darin, den Faktor n zu messen, der die Dichtigkeit und damit die Lebensdauer der Faser angibt.
In diesem Beispiel liegt der gemessene Faktor n im Bereich von 80 bis 95.
Beispiel 2: (Versuchsreihe Nr. 2)

In diesem Beispiel wurden die Bedingungen hinsichtlich Durchsatz, Druck und Ziehgeschwindigkeit im Vergleich mit dem Beispiel 1 erhöht.

Ziehgeschwindigkeit:	200 m/min
Druck:	im Bereich von 0, 5 bis 2 mbar
Ar-Druck in der Einlassschleuse:	im Bereich von 0,25 bis 0,75 mbar
Ar-Durchsatz im
BBr₃-Bubbler:	im Bereich von 50 bis 100 cm³/min
Wasserstoffdurchsatz	im Bereich von 500 bis 1000 cm³/min

Die abgeschiedene Beschichtung hat in Abhängigkeit von den gewählten Bedingungen hinsichtlich der Durchsätze und des Drucks eine Dicke im Bereich von 300 bis 1000 Å. Die Abscheidegeschwindigkeit beträgt 400 μm/min und der gemessene Faktor n liegt über 100.
Beispiel 3: (Versuchsreihe Nr. 3)

Diese Versuchsreihe betrifft die Abscheidung von Bor und Bornitrid; Ammoniak und Wasserstoff reagieren mit Bortribromid. Die Konfiguration des Reaktors, die Kühltemperatur und das Substrat sind mit den vorhergehenden Beispielen identisch.

Ziehgeschwindigkeit:	200 m/min
Druck:	im Bereich von 0,5 bis 2 mbar
Ar-Druck in der Einlassschleuse:	im Bereich von 0,25 bis 0,75 mbar
Ar-Durchsatz im BBr₃-Bubbler:	im Bereich von 50 bis 100 cm3/min
Durchsatz von Ammoniak und Wasserstoff:	im Bereich von 500 bis 1000 cm3/min

Die Dicke der abgeschiedenen Schicht liegt in Abhängigkeit von den gewählten Bedingungen hinsichtlich der Durchsätze und des Drucks im Bereich von einigen Ångström bis etwa 1000 Å. Das abgeschiedene Material setzt sich hauptsächlich aus Bor und Bornitrid (etwa 30 bis 40%) zusammen. Die Abscheidegeschwindigkeit beträgt 400 μm/h und der gemessene Faktor n ist 100.
Die in diesen drei Versuchsreihen hergestellten Fasern weisen eine mittlere mechanische Festigkeit auf, die mit der Festigkeit einer herkömmlichen Faser vergleichbar ist, und einen Faktor n in der Größenordnung von 100 oder darüber. Die hermetisch dichten Beschichtungen werden mit Dicken von 100 bis 1000 Å mit Geschwindigkeiten im Bereich von 300 bis 500 μm/min abgeschieden. Im Übrigen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Beschichtungen an sehr langen Lichtwellenleitern in der Größenordnung von 1000 km oder darüber realisiert werden, da jegliche Verschmutzung der Wände der Reaktionskammer vermieden wird. Die anfänglichen Eigenschaften der Faser bleiben erhalten, da sie mit Dämpfungen unter 0,1 dB abstimmbar und abisolierbar bleibt.

Claims

Verfahren zur Abscheidung einer Beschichtung auf einem Lichtwellenleiter im Laufe des Faserziehens, wobei die Beschichtung dazu vorgesehen ist, die Dichtigkeit und die Lebensdauer des Lichtwellenleiters zu verbessern, wobei das Verfahren darin besteht, ein Gasgemisch von Borhalogenid und Wasserstoff und/oder Borhalogenid und Ammoniak durch Mikrowellenplasma-gestützten Energieeintrag zu zersetzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung bei einem Druck unter 5 mbar in Gegenwart eines Trägergases durchgeführt wird, um einerseits das Gasgemisch in das Reaktionsmedium zu bringen und andererseits das Plasma zu aktivieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Borhalogenid das Bortribomid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas Argon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas mit einem Durchsatz von 10 bis 100 cm³/min strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter auf eine Temperatur von 400 bis 850°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ziehgeschwindigkeit über 20 m/min gearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz von Wasserstoff und/oder Ammoniak im Bereich von 200 bis 1000 cm³/min liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis H₂/BBr₃ und/oder NH₃/BBr₃ unter 50 und vorzugsweise im Bereich von 15 bis 40 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenleistung, mit der das Plasma erzeugt werden kann, im Bereich von 500 bis 1000 W liegt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – eine röhrenförmige Reaktionskammer (110), die an den Enden eine Einlassschleuse (131) bzw. eine Auslassschleuse (132) aufweist, die es ermöglichen, dass der Lichtwellenleiter (2) kontinuierlich in die Kammer eingeführt werden kann, – ein Kühlsystem (120), mit dem die Wand der Reaktionskammer (110) auf einer konstanten Temperatur von höchstens 100°C gehalten werden kann, – einen Pumpensatz (150), der einerseits mit der Reaktionskammer (120) verbunden ist, um das restliche Gas abzufangen und den Druck konstant zu halten, und andererseits mit der Einlassschleuse (131) und der Auslassschleuse (132) verbunden ist, um einen Druck aufrechtzuerhalten, der mit dem Druck im Inneren der Reaktionskammer identisch ist oder in der Nähe dieses Drucks liegt, – eine zentrale Gaseinheit (140), die mit der Einlassschleuse (131) und/oder der Reaktionskammer (110) verbunden ist, und – Einrichtungen (160, 161, 162, 163) zum Mikrowellenplasmagestützten Erwärmen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (110) aus einem Quarzrohr besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (110) ferner eine Doppelwand (121) aufweist, in deren Inneren ein dielektrisches Öl umläuft, dessen Temperatur konstant ist, um die Wand der Reaktionskammer auf einer Temperatur von 100° C oder darunter zu halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassschleuse (131) und die Auslassschleuse (132) drei bzw. zwei Düsen (135) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (135) eine konische Form haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen aus Keramik oder einem Polymer vom Typ Polytetrafluorethylen oder Polyamidimid bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Düsen sich linear von 300 auf 700 mm ändert, wenn der Durchmesser des Lichtwellenleiters in der Größenordnung von 125 mm liegt.
Lichtwellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass er direkt mit einer Schicht aus Bor bedeckt ist und dadurch, dass die Borschicht eine Dicke im Bereich von 100 bis 1000 Å aufweist.
Lichtwellenleiter, der mit einer Beschichtung bedeckt ist, die dazu dient, seine Dichtigkeit und seine Lebensdauer zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung gleichzeitig Bor und Bornitrid aufweist und eine Dicke von 100 bis 1000 Å besitzt.