DE69921080T2

DE69921080T2 - Verfahren zum Herstellen einer Vorform für optische Fasern und Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern

Info

Publication number: DE69921080T2
Application number: DE69921080T
Authority: DE
Inventors: Akiyoshi Tama-shi Tanaka
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: DE69921080D1; JP2000191336A; EP1016636B1; EP1016636A1

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser unter Einsatz eines verbesserten MCVD-Verfahrens, bei dem lichtemittierende Substanzen (z.B. Seltenerdelemente) durch ein Sprühverfahren in eine Kernschicht eingearbeitet werden. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser, die Seltenerdelemente oder dergleichen enthält, wobei ein nach dem obigen Herstellungsverfahren hergestellter Faser-Vorformling verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Optische Faser besteht aus einer Kernschicht, die einen hohen Brechungsindex hat, und einer Hüllschicht, einem äußeren Rand, der einen niedrigeren Brechungsindex hat als die Kernschicht, so dass durch die Kernschicht in die Faser einfallendes Licht aufgrund von Totalreflexion weitergeleitet wird. Die Kernschicht kann je nach der Verwendung der optischen Faser Seltenerdelemente enthalten. Die optische Faser wird im Allgemeinen durch Ziehen eines Vorformlings für eine optische Faser hergestellt. Als Herstellungsverfahren für einen Vorformling für eine auf Quarz basierende optische Faser sind ein modifiziertes Verfahren des chemischen Aufdampfens (MCVD), das OVD-Verfahren (outside vapor deposition), das Verfahren des axialen Aufdampfens (VAD) usw. bekannt. Vorformlinge für optische Fasern, die aus einer Kernschicht mit einem hohen Brechungsindex als mittlerer Teil und einer Hüllschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex als die Kernschicht bestehen, werden im Allgemeinen nach einem der obigen Verfahren hergestellt.
Im Falle der auf Quarz basierenden optischen Faser ist Quarzglas (SiO₂) die wesentliche Komponente sowohl der Kernschicht als auch der Hüllschicht. Um den Brechungsindex der Kernschicht zu erhöhen, wird Germanium (Ge) oder dergleichen in die Kernschicht eingebaut, und um den Brechungsindex der Hüllschicht zu senken, wird Fluor (F), Bor (B) oder dergleichen in die Hüllschicht eingebaut. Phosphor (P) kann hinzugefügt werden, um die Glasübergangstemperatur während der Herstellung zu senken. Wie bei auf Quarz basierenden optischen Fasern für die allgemeine optische Telekommunikation werden optische Fasern, bei denen Germanium, das den Brechungsindex erhöhen kann, in die Kernschicht eingebaut wurde, nur zum Zweck der Totalreflexion des durchgeleiteten Lichts in die Kernschicht verwendet. Bei optischen Fasern für Faserlaser und optische Verstärker werden Seltenerdelemente, wie Pr, Yb, Nd oder Er, in die Kernschicht eingebaut, um den resultierenden optischen Fasern neue Funktionen hinzuzufügen.
Diese auf Quarz basierenden optischen Fasern werden unter Verwendung eines der obigen Aufdampfverfahren hergestellt. Im Hinblick auf die Leichtigkeit der Steuerung der Komponenten der abgeschiedenen Verbindungen durch Einstellungen der Zeit und der Zone bei den Gasströmungsmengen in einem Quarzrohr, die Leichtigkeit der Abscheidungssteuerung durch Steuerung der Oberflächentemperatur des Rohrs mit einem Knallgasbrenner usw. wird verbreitet das MCVD-Verfahren durchgeführt.
Das Verfahren zur Herstellung des Faservorformlings durch das MCVD-Verfahren kann wie folgt skizziert werden. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer MCVD-Apparatur. Die MCVD-Apparatur besteht aus einer Prozessgase zuführenden Apparatur 1 und einer Glasdrehbank 2, an der ein Quarzrohr 5 befestigt ist. Die Prozessgase zuführende Apparatur 1 ist mit entsprechenden Behältern 3 ausgestattet, die mit flüssigen Chlorid-Rohmaterialien, wie SiCl₄, GeCl₄ und POCl₃, gefüllt sind, und die Quellgase für die Verarbeitung werden erhalten, indem man die flüssigen Rohmaterialien verdampft, indem man ein Gas durch die Flüssigkeiten perlen lässt, wenn Sauerstoffgas in den Behältern 3 zugeführt wird. Diese Quellgase werden dem Quarzrohr 5, das an der Glasdrehbank 2 befestigt ist, zusammen mit einem Trägergas, wie Sauerstoffgas oder dergleichen, zugeführt. Eine Heizquelle 4, wie ein Knallgasbrenner, wird so an der Glasdrehbank angeordnet, dass das befestigte Glasrohr von der Außenseite des Rohrs her in axialer Richtung mit Flammen aufgeheizt werden kann, während das Quarzrohr rotiert. Im Quarzrohr 5 erzeugen die so zugeführten jeweiligen Chlorid-Quellgase und das Sauerstoffgas thermische Oxidationsbedingungen bei einer hohen Temperatur, wie es zum Beispiel durch Formel (1) angezeigt wird, wobei Oxidteilchen entstehen. SiCl₄ + O₂ → SiO₂ + 2Cl₂ (1)
Die so erzeugten Oxidteilchen werden als poröse Ablagerung im Quarzrohr abgeschieden. Die abgeschiedene Ablagerung wird auf eine höhere Temperatur aufgeheizt, um die Ablagerung zu sintern, wodurch ein transparenter Glaskörper entsteht. Nachdem diese Glaszusammensetzungen im Quarzrohr gebildet wurden, wird das hohle Quarzrohr zu einem massiven Gegenstand zusammengezogen, indem man den Glaskörper auf eine hohe Temperatur in der Nähe der Erweichungstemperatur des Quarzrohrs erhitzt, um einen stabförmigen Faservorformling zu erzeugen.
Mit einem solchen herkömmlichen MCVD-Verfahren werden zur Herstellung eines Faservorformlings, in den Seltenerdelemente in die Kernschicht eingebaut sind, zum Beispiel ein Verfahren zum Eintauchen eines hohlen Quarzrohrs in eine Seltenerdlösung und ein Verfahren zum Einbauen von Seltenerdelementen in das hohle Quarzrohr nach Verdampfen der Seltenerdelemente verwendet.
Als Verfahren zum Eintauchen in eine Seltenerdlösung sind zum Beispiel Verfahren bekannt, die in der Japanischen Offenlegungsschrift Heisei Nr. 5-330,842 und in der Japanischen Offenlegungsschrift Heisei Nr. 9-142,866 beschrieben sind. Beides sind Verfahren, bei denen nach der Bildung der porösen Kernschicht auf der Innenwand des Quarzrohrs ein Eintauchen in eine Lösung erfolgt, indem man eine vorgeschriebene Lösung, wie einen Alkohol oder dergleichen, die Seltenerdelemente enthält, durchfließen lässt, und dann werden die Seltenerdelemente in die poröse Kernschicht eingebaut, wobei das Innere des Rohrs getrocknet wird, indem man Chlorgas und dergleichen hindurchströmen lässt, um das Lösungsmittel zu verdampfen.
Inzwischen wurde ein Verfahren zum Verdampfen von Seltenerdelementen zum Beispiel im Journal of American Ceramic Society, Vol. 73, Nr. 12 (1990), S. 3537-3556, und in der Japanischen Offenlegungsschrift Heisei Nr. 9-25,135 vorgeschlagen. Ein repräsentatives Verfahren ist in 2 dargestellt. Ein Teil, der mit Pulvern 6, die Seltenerdelemente enthalten, gefüllt ist, wird im Quarzrohr 9 gebildet und ist vom normalen Vorformling-bildenden Teil abgetrennt, und ein Dampf der Seltenerdelemente wird erzeugt, indem man den Pulverteil mit einem Knallgasbrenner 7 von der Außenseite des Rohrs her auf eine hohe Temperatur erhitzt, so dass Gase zusammen mit dem Trägergas, wie Sauerstoff, dem Vorformling-bildenden Teil zugeführt werden. In der Folge werden die Seltenerdelemente am Faservorformling-Teil abgeschieden, so dass ein Kern 10 entsteht, der die Seltenerdelemente enthält. Bei diesem Verfahren ist neben der normalen Heizquelle (Knallgasbrenner) 8 eine getrennte thermisch steuerbare Heizquelle 7 erforderlich, um den Vorformling abzuscheiden.
Was Verfahren zum Einbauen der Seltenerdelemente betrifft, so erfolgt der Einbau mit Hilfe von Lösungen oder einer Dampfphase. Bei dem Verfahren mittels Dampfphase wird kein verdampftes Gas erhalten, es sei denn, es wird auf etwa 600 °C oder höher erhitzt, wenn die Pulver, die die Seltenerdelemente enthalten, aus Seltenerdchloriden bestehen. Dementsprechend ist eine weitere, getrennte thermisch steuerbare Heizquelle neben der normalen Heizquelle (Knallgasbrenner) erforderlich, um den Vorformling abzuscheiden, wie es in 2 gezeigt ist. Als Ergebnis ist die Struktur der MCVD-Apparatur aufgrund dieses Verfahrens nachteiligerweise kompliziert.
Als Vorrichtung, um diesen Punkt zu verbessern, wurde ein Verfahren unter Verwendung von Seltenerd-Chelatverbindungen mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur von etwa 200 °C oder weniger vorgeschlagen, wie es in der Japanischen Offenlegungsschrift Heisei Nr. 9-25,135 gezeigt ist. Wenn ein leicht verdampfbares Material eingesetzt wird, kann die Apparatur so angeordnet werden, dass eine komplizierte Struktur vermieden wird. Diese Chelatverbindungen sind jedoch sehr speziell und kostspielig und führen zu Problemen, wie dass die Steuerung der Reaktionen nicht leicht ist, weil die Verbindungen instabil sind.
Bei dem Verfahren zum Einbauen unter Verwendung einer Lösung muss inzwischen das Quarzrohr während des Verfahrens notwendigerweise von der Glasdrehbank abgelöst werden, nachdem die poröse Kernschicht innerhalb des Quarzrohrs gebildet wurde. Eine zuvor hergestellte Lösung, die Seltenerdverbindungen enthält, wird in das abgelöste Quarzrohr gefüllt, und das Quarzrohr wird nach dem Entfernen der Lösung wieder an der Drehbank befestigt, nachdem der poröse Teil in die Lösung eingetaucht wurde. Das Lösungsmittel der Lösung, das im Rohr verbleibt, wird getrocknet und entfernt, indem man das Rohr erhitzt und dabei Chlorgas durch das Rohr strömen lässt. Bei dem herkömmlichen Verfahrens des Eintauchens in eine Lösung sind also zusätzliche Schritte, wie die Ablösung des Quarzrohrs von der Glasdrehbank, erforderlich, um Seltenerdmaterialien einzubauen, was das Herstellungsverfahren kompliziert macht.
Bei einem Verfahren, wie es in der Japanischen Offenlegungsschrift Heisei Nr. 9-142,886 beschrieben ist, wird gemäß 3 eine Lösung in das Quarzrohr 12 mit der Hüllschicht 11 und der porösen Kernschicht 10 gegossen, indem man ein Rohr 13 in das Quarzrohr einsetzt, während das Quarzrohr befestigt wird. Es wird verhindert, dass die eingegossene Lösung durch Vertiefungen, die auf der Vorder- und Rückseite des hergestellten Vorformlings gebildet sind, im voraus ausläuft, und nachdem die Lösung in einer bestimmten Menge eingegossen wurde, wird das Innere des Rohrs normal getrocknet. Dieses Verfahren führt jedoch ebenfalls zu dem Problem, dass die Schritte in Bezug auf das Eintauchen in eine Lösung genauso kompliziert werden wie beim allgemeinen Verfahren. Weiterhin kann bei allen diesen Lösungs-Eintauch-Verfahren die Eintauchmenge kaum gesteuert werden. Insbesondere bei dem letzteren Lösungsgießverfahren kann sich die Flüssigkeit lokal ansammeln und insofern Probleme verursachen, als eine gleichmäßige Zugabe der Lösung in der porösen Kernschicht schwierig sein kann oder als es leicht zu einer übermäßigen Zugabe von Seltenerdelementen zu der porösen Schicht kommen kann. Weiterhin entsteht das Problem, dass das Verfahren viel Abfall erzeugt, da die Menge der hergestellten Lösung oder die zum Eintauchen verwendete Lösungsmenge viel größer ist als diejenige, die tatsächlich für die Zugabe von Lösung zu dem porösen Kern verwendet wird.
Die Techniken zur Bildung von Hüllschichten unter Verwendung von modifiziertem chemischem Aufdampfen (MCVD) und zur Bildung von Kernschichten unter Verwendung von Aerosolabscheidung sind offenbart in Kyunghwan Oh et al., "Spectroscopic Analysis of a Eu-doped aluminosilicate optical fiber preform", Journal of Non-Crystalline Solids, North-Holland Physics Publishing, Amsterdam, NL, Vol. 149, Nr. 3, 1. November 1992, S. 229-242.
Die Europäische Patentanmeldung EP 0 451 293 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser, dessen Kern mit einem Seltenerdelement (oder -ion) dotiert ist. Dieses Verfahren umfasst die Schritte der Bildung eines rußartigen Kernglases durch Erhitzen eines feinen Pulvers eines Oxidglases, das durch Dampfphasenreaktion in einem Quarz-Reaktionsrohr abgeschieden wird, Sprühen einer zerstäubten Lösung einer Verbindung eines Seltenerdelements, das als gelöster Stoff verwendet wird, gegen das rußartige Kernglas, wodurch das rußartige Kernglas mit der Lösung imprägniert werden kann, Erhitzen des den gelösten Stoff enthaltenden rußartigen Kernglases, bis das Glas verglast ist, und Erhitzen des Quarz-Reaktionsrohrs, damit es sich zusammenzieht.
Die UK-Patentanmeldung GB 2 067 181 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings im Hinblick auf die Gewinnung einer optischen Faser mit einem Brechungsindexsprung oder -gradienten durch Bildung von Schichten aus dotierter transparenter Substanz auf der Oberfläche eines länglichen Substrats, das aus der Substanz im reinen oder dotierten Zustand besteht. Die Lösung der Substanz wird auf dem Substrat ausgebreitet, das gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit um seine Achse gedreht wird, um die Lösung gleichmäßig über die Oberfläche des Substrats zu verteilen. Das Substrat wird anschließend erhitzt, um eine Verdampfung des Lösungsmittels zu verursachen, wobei auf dem Substrat eine Schicht zurückbleibt, die durch Wärmebehandlung verdichtet wird.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser mit einem Kernglas, das lichtemittierende Substanzen enthält, und einem Hüllglas bereitzustellen, und zwar ein Verfahren bereitzustellen, bei dem sich die Zugabemengen der lichtemittierenden Substanzen leicht steuern lassen, ohne dass ein komplizierter Schritt erforderlich ist. Außerdem besteht ein weiteres Ziel der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser unter Verwendung des nach dem obigen Verfahren erhaltenen Vorformlings für die optische Faser bereitzustellen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser mit einem Kernglas, das wenigstens eine lichtemittierende Substanz enthält, und einem Hüllglas, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer porösen Schicht aus einer Vorstufe des Kernglases auf der inneren Oberfläche eines hohlen Rohrs, wobei wenigstens die innere Oberfläche aus dem Hüllglas besteht; Aufsprühen einer Flüssigkeit, die die lichtemittierende Substanz enthält, auf die poröse Schicht, wobei die Flüssigkeit, die die lichtemittierende Substanz enthält, direkt der Spitze einer Düse, die in das hohle Rohr eingesetzt wird, zugeführt und aus der Spitze heraus aufgesprüht wird, wobei sich die Spitze gegenüber dem hohlen Rohr bewegt; Bilden einer Schicht aus dem Kernglas, das die lichtemittierende Substanz enthält, durch Sintern der porösen Schicht, die die lichtemittierende Substanz enthält; und Bilden eines stabförmigen Vorformlings, indem man das erhaltene hohle Rohr zu einem massiven Gegenstand verarbeitet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Das obige und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sind für den Fachmann aus den folgenden bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, wenn man sie in Verbindung mit den Begleitzeichnungen betrachtet:
1 ist eine Darstellung, die eine Gesamtskizze einer MCVD-Apparatur zeigt;
2 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Hinzufügen von Seltenerdelementen durch ein Dampfphasenverfahren zeigt;
3 ist eine Darstellung, die ein Verfahren zum Hinzufügen von Seltenerdelementen durch ein Flüssigkeitslösungsverfahren zeigt;
die 4(a) bis 4(e) sind Darstellungen, die das Verfahren der Erfindung zeigen;
die 5(a) und 5(b) sind Graphiken, die die gemessenen Ergebnisse von Nd-Konzentrationsprofilen entlang der Querschnitte von optischen Fasern zeigen; und
6 ist eine schematische Ansicht, die eine Faserziehapparatur zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gemäß dem Verfahren der Erfindung werden Seltenerdelemente durch Aufsprühen von Lösungen, die Seltenerdelemente enthalten, zu einer porösen Kernschicht hinzugefügt. Dieser Schritt vereinfacht die Herstellungsschritte und ermöglicht einen gleichmäßigen Einbau der Seltenerdelemente in die poröse Schicht.
Das Verfahren der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser mit einem Kernglas, das lichtemittierende Substanzen enthält, und einem Hüllglas.
Bei diesem Verfahren wird zuerst eine poröse Schicht, die aus einer Vorstufe des Kernglases besteht, auf einer inneren Oberfläche eines hohlen Rohrs gebildet. Wenigstens die innere Oberfläche des hohlen Rohrs besteht aus einem Hüllglas. Insbesondere, wie es zum Beispiel in 4(a) gezeigt ist, wird ein Quarzrohr 21 an einer nicht gezeigten Glasdrehbank befestigt; Prozessgase, wie SiCl₄, SiF₄, POCl₃ oder dergleichen, werden zusammen mit Sauerstoffgas in das Quarzrohr eingeleitet und mit einem Knallgasbrenner 22 von der Außenseite des Quarzrohrs her erhitzt, wodurch die Glashüllschicht 20 abgeschieden wird. Wie in 4(b) gezeigt ist, werden Gase von SiCl₄ und GeCl₄ zusammen mit Sauerstoffgas zur Oberfläche der Hüllschicht geleitet, und eine poröse Kernschicht 23 wird auf der Oberfläche der Hüllschicht 20 gebildet, indem man die Oberfläche auf eine Temperatur erhitzt, die geringfügig niedriger ist als die Temperatur, bei der abgeschiedene Materialien zu transparenten Glaskörpern werden. Gemäß dem Verfahren der Erfindung kann es sich bei dem auf der inneren Oberfläche des hohlen Rohrs gebildeten Hüllglas um eine Hüllglasschicht handeln, die mit einem MCVD-Verfahren auf der inneren Oberfläche des Quarzrohrs gebildet wird, und die aus einer Vorstufe des Kernglases bestehende poröse Schicht kann SiO₂ und GeO₂ enthalten.
Anschließend wird eine lichtemittierende Substanz oder ein Medium, das die lichtemittierende Substanz enthält, auf die poröse Schicht (poröse Kernschicht) 23 aufgesprüht. Bei der lichtemittierenden Substanz kann es sich zum Beispiel um Seltenerdionen handeln. Wie zum Beispiel in 4(c), wo ein Rohr mit einer Düse 24 in das Quarzrohr 21 eingesetzt wird, gezeigt ist, wird eine Alkohol- oder Wasserlösung 25, die eine vorgeschriebene Verbindung von Seltenerdelementen, wie Erbiumchlorid (ErCl₃), Ytterbiumchlorid (YbCl₃), Neodymchlorid (NdCl₃) oder dergleichen, enthält, durch eine Flüssigkeitszufuhrpumpe zugeführt, wodurch im Quarzrohr eine aufgesprühte Flüssigkeit entsteht, um die Flüssigkeit gleichmäßig zu der porösen Kernschicht hinzuzufügen. Zu diesem Zeitpunkt werden vorzugsweise Aluminiumionen (Al-Ionen) als Aluminiumchlorid (AlCl₃) zu der Lösung gegeben, was eine Schutzwirkung vor einer Anhäufung der Seltenerdionen im Kern hat. Die zuzuführende Menge der Lösung wird im Hinblick auf die Dicke (Tp) der gebildeten porösen Schicht, den Innendurchmesser (Id) und die Länge (L) des verwendeten Quarzrohrs bestimmt, und das tatsächliche Volumen (V) der abgeschiedenen porösen Schicht, das durch Formel (2) angegeben wird, kann zugeführt werden. V = (Id – Tp) TpπL (2)
Wenn zum Beispiel die Dicke der porösen Schicht gleich 100 μm beträgt, der Innendurchmesser des Quarzrohrs gleich 20 mm beträgt und die Länge des Rohrs 1 m beträgt, erhält man das Volumen V der Lösung wie folgt. V = (20 – 0,1) × 0,1 × π × 1000 ≈ 6250 = 6,25 (ml)
Um Substanzen während des Sprühens der Lösung gleichmäßig zur Kernschicht hinzuzufügen, wird das Quarzrohr gedreht, und die Sprühdüse wird horizontal entlang des Rohrs bewegt, um eine gleichmäßige Zugabe in axialer Richtung des Rohrs zu erhalten. Die Menge der abgeschiedenen lichtemittierenden Substanzen kann konstant gemacht werden, indem man die Sprühmenge und die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse während der Bewegung der Düse konstant hält. Alternativ dazu kann die Menge der abgeschiedenen lichtemittierenden Substanzen während der Bewegung der Düse auch variiert werden, indem man die Sprühmenge und/oder Bewegungsgeschwindigkeit der Düse ändert. Wie in 4(d) gezeigt ist, wird die Sprühvorrichtung anschließend vom Quarzrohr entfernt, und der Knallgasbrenner 22 kann das Innere des Rohrs gleichmäßig unter Einleitung von Chlorgas in das Rohr trocknen. Die aufgesprühte lichtemittierende Substanz ist nicht auf eine Flüssigkeit beschränkt und kann in jeder sprühfähigen Form, z.B. als feine Pulver, vorliegen.
Anschließend wird eine Kernglasschicht, die die lichtemittierenden Substanzen enthält, gebildet, indem man die poröse Schicht, die die lichtemittierenden Substanzen enthält, sintert. Zum Beispiel wird der poröse Kern nach dem Trocknungsschritt gesintert, indem man die Schicht auf eine noch höhere Temperatur aufheizt, wie in 4(d) gezeigt ist, wodurch ein transparenter Glaskörper entsteht.
Dann wird das erhaltene hohle Rohr zu einem massiven Gegenstand zusammengezogen, wie in 4(e) gezeigt ist, wobei ein Faser-Vorformling mit einer Kernglasschicht 26, die die lichtemittierenden Substanzen enthält, hergestellt wird.
Bei dem beschriebenen Verfahren erfolgen Zugaben der Seltenerdlösung zu der porösen Schicht durch Sprühen, wie in 4(c) gezeigt ist, die das Verfahren zeigt. Dies ermöglicht im Vergleich zum herkömmlichen Lösungseintauchverfahren gleichmäßige Zugaben zur porösen Kernschicht, da z.B. keine lokale Ansammlung der Flüssigkeit erfolgt. Da die lichtemittierenden Substanzen durch Sprühen hinzugefügt werden, kann die verwendete Lösungsmenge minimiert werden, so dass der Vorteil besteht, dass keine Schicht entsteht, die eine überschüssige Menge an Seltenerdelementen enthält. Es besteht auch der Vorteil, dass dadurch der Schritt des Ablösens des Quarzrohrs von dem Glasdrehbank-Teil der MCVD-Apparatur weggelassen und daher das Verfahren vorteilhafterweise vereinfacht werden kann.
Herstellungsverfahren der optischen Faser
Der so im obigen Verfahren erhaltene Vorformling kann unter Verwendung einer Faserziehapparatur zu einer Faser verarbeitet werden. Eine in 6 gezeigte Faserziehapparatur 30 ist zum Beispiel ein Turm, bei dem ein an einem nicht gezeigten Befestigungsteil befestigter Vorformling 31 von einem oberen Teil, ein Heizofen 32, ein Füllnapf für Beschichtungsmaterial 33, eine UV-Bestrahlungsapparatur 34, ein Tensiometer 35 und eine Faserwickelapparatur 36 in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Quarz-Vorformling (zu dem Seltenerdelemente hinzugefügt werden) wird an einem Befestigungsteil für den Vorformling befestigt, und die Spitze des Vorformlings wird in den Heizofen eingesetzt und aufgeheizt, wodurch beim Abtropfen der Spitze des Vorformlings durch Schwerkraft eine Faser 37 entsteht. Die Faser wird mittels der tropfenden Faser 37, des Füllnapfs für Beschichtungsmaterial 33, in den ein UV-härtendes Harz gegossen wird, und der UV-Bestrahlungsapparatur 34 beschichtet. Die erhaltene Faser 37 wird an der Wickelappa ratur 36 unter Steuerung der Faserspannung, der Faserwickelgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Einsetzens des Vorformlings in den Heizofen aufgewickelt.
Beispiele
Die Erfindung wird unter Verwendung von Beispielen ausführlicher beschrieben.
Beispiel 1
Ein Quarzrohr mit einem Außendurchmesser von 25 mm, einem Innendurchmesser von 21 mm und einer Länge von 1 m als Ausgangsrohr wurde auf eine MCVD-Apparatur aufgesetzt. Die folgenden sind Herstellungsschritte.

1) Nach dem Einleiten eines C₂F₆-Gases in das Quarzrohr wurde das Rohr mit einem Knallgasbrenner auf etwa 1500 °C erhitzt und unter Ätzen des Innern des Quarzrohrs gereinigt.
2) Wenn man Gase von SiCl₄, SiF₄ und O₂ durch das Quarzrohr strömen ließ, wurde die Hüllschicht bei etwa 1600 °C abgeschieden.
3) Wenn man Gase von SiCl₄, GeCl₄ und O₂ durch das Quarzrohr strömen ließ, wurde die poröse Kernschicht bei etwa 1300 °C abgeschieden.
4) Eine Flüssigkeit wurde hergestellt, indem 0,015 mol Neodymchlorid (NdCl₃·6H₂O) und 0,5 mol Aluminiumchlorid (AlCl₃) in einem Liter Ethanol gelöst wurden.
5) Ein Rohr mit einer Sprühdüse wurde in das Quarzrohr eingesetzt, in dem die poröse Kernschicht, wie sie unter 3) beschrieben ist, gebildet wurde, und die Lösung wurde mit einer Sprühgeschwindigkeit von 7 cm³/min zugeführt. Nachdem die Sprühdüse eine Minute lang im Quarzrohr hin und her bewegt wurde, wurde die Flüssigkeitszufuhr unterbrochen, und die Düse wurde aus dem Quarzrohr entnommen.
6) Das Rohr wurde getrocknet, indem man das Erhitzen mit dem Brenner bei etwa 1000 °C unter Zufuhr von Cl₂-Gas in das Quarzrohr wiederholte.
7) Wenn O₂- und He-Gas in das Quarzrohr eingeleitet wurden, wurde die Kernschicht bei etwa 1800 °C zu einem transparenten Glaskörper gesintert.
8) Wenn man O₂-Gas durchströmen ließ, wurde das Quarzrohr zu einem festen Gegenstand zusammengezogen, indem man das Rohr auf eine hohe Temperatur von etwa 2000 °C erhitzte und dabei einen stabförmigen Vorformling bildete.

Der erhaltene Vorformling wurde mittels einer Faserziehapparatur zu einer Faser verarbeitet (siehe 6). Die Faserziehapparatur war ein Turm, bei dem ein Teil zur Befestigung eines Vorformlings, ein Heizofen, ein Füllnapf für Beschichtungsmaterial, eine UV-Bestrahlungsapparatur, ein Tensiometer und eine Faserwickelapparatur in dieser Reihenfolge von der Oberseite her angeordnet sind. Ein hergestellter Quarz-Vorformling, in den Seltenerdelemente eingebaut sind, wurde an dem Teil zur Befestigung eines Vorformlings befestigt, und die Spitze wurde in den Heizofen eingefügt, um den Vorformling aufzuheizen. Die Spitze des Vorformlings wurde durch Schwerkraft tropfen gelassen, wobei auf etwa 1800 °C erhitzt wurde, wodurch eine Faser mit einem Durchmesser von 125 μm hergestellt wurde. Ein Füllnapf für Beschichtungsmaterial, der eine Öffnung mit 400 μm Durchmesser aufwies, wurde anschließend befestigt, und nachdem ein UV-härtendes Harz in den Napf gefüllt wurde, wurde die Faser durch die UV-Bestrahlungsapparatur beschichtet. Die erhaltene Faser wurde an der Wickelapparatur befestigt, eine Faser mit einer Länge von 1 km wurde unter Steuerung der Faserspannung, der Faserwickelgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Einsetzens des Vorformlings in den Heizofen hergestellt, so dass die zuvor beschichtete Faser den Durchmesser von 125 μm beibehält.
5(a) zeigt die gemessenen Ergebnisse des Nd-Konzentrationsprofils im Faserquerschnitt der so erhaltenen Faser. Es wurde bestätigt, dass Nd-Ionen gleichmäßig in die Kernschicht eingebaut werden. Da Ionen in die gebildete Hüllschicht diffundieren, wird die Nd-Konzentration an den Grenzen zwischen der Hüllschicht und der Kernschicht mehr oder weniger verbreitert.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Quarzrohr mit einem Außendurchmesser von 25 mm, einem Innendurchmesser von 21 mm und einer Länge von 1 m als Ausgangsrohr wurde im Wesentlichen genauso wie in Beispiel 1 auf eine MCVD-Apparatur aufgesetzt. Ein Ätzverfahren, ein Hüllschicht-Abscheidungsverfahren und ein Abscheidungsverfahren für die poröse Kernschicht wurden in derselben Weise wie die Schritte 1) bis 3) in Beispiel 1 bis zum Abscheidungsverfahren für die poröse Kernschicht durchgeführt. Anschließend wurden Vertiefungen, wie sie in 3 gezeigt sind, gebildet, indem man beide Enden des Quarzrohrs mit einem Knallgasbrenner erhitzte, um das Austreten von Flüssigkeit zu verhindern. In das so hergestellte Quarzrohr wurde eine zuvor hergestellte Ethanollösung (1 Liter) mit 0,015 mol Neodymchlorid (NdCl₃·6H₂O) und 0,5 mol Aluminiumchlorid (AlCl₃) durch ein Rohr gegossen, wie es in 3 gezeigt ist. Nachdem ausreichend Flüssigkeit in das Quarzrohr geleitet wurde, wurde das Rohr vom Quarzrohr abgenommen. Anschließend wurden ein Trocknungsverfahren, ein Sinterverfahren und ein Verfahren zur Herstellung eines massiven Gegenstands im Wesentlichen in derselben Weise wie die Schritte 6) und 7) von Beispiel 1 durchgeführt, um einen stabförmigen Vorformling herzustellen.
5(b) zeigt die gemessenen Ergebnisse des Nd-Konzentrationsprofils im Faserquerschnitt der so erhaltenen Faser. Es wurde bestätigt, dass zwar Nd-Ionen in die Kernschicht eingebaut werden, ihre Konzentration jedoch in der Mitte des Kernteils sehr hoch war, was auf eine Ungleichmäßigkeit der Nd-Konzentration in der Kernschicht hinwies. Dies wurde vom Rückstand der überschüssigen Nd-Lösung an der Oberfläche des porösen Kerns in hoher Konzentration verursacht, als die Lösung in das Quarzrohr gegeben wurde.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Vorformlings für die optische Faser gemäß der Erfindung kann die Zugabemenge der lichtemittierenden Substanzen im Kernglas, das die lichtemittierenden Substanzen enthält, leicht gesteuert werden, ohne dass komplizierte Schritte erforderlich sind.
Außerdem ermöglicht das erfundene Verfahren die Herstellung einer optischen Faser mit einem Kern, der die lichtemittierenden Substanzen gleichmäßig enthält und ein gleichmäßiges Profil der lichtemittierenden Substanzen aufweist, indem man den nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltenen Vorformling für die optische Faser verwendet.
Die obige Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt, und sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form einschränken. Die Beschreibung wurde so gewählt, dass sie die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten erklärt, um andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und verschiedenen Modifikationen, wie sie für die besondere, ins Auge gefasste Verwendung geeignet sind, am besten zu verwenden. Der Umfang der Erfindung soll durch die Beschreibung nicht eingeschränkt werden, sondern ist durch die im Folgenden dargelegten Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser mit einem Kernglas, das wenigstens eine lichtemittierende Substanz enthält, und einem Hüllglas, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer porösen Schicht aus einer Vorstufe des Kernglases auf der inneren Oberfläche eines hohlen Rohrs, wobei wenigstens die innere Oberfläche aus dem Hüllglas besteht; Aufsprühen einer Flüssigkeit, die die lichtemittierende Substanz enthält, auf die poröse Schicht, wobei die Flüssigkeit, die die lichtemittierende Substanz enthält, direkt einer Spitze einer Düse, die in das hohle Rohr eingesetzt wird, zugeführt und aus der Spitze heraus aufgesprüht wird, wobei sich die Spitze gegenüber dem hohlen Rohr bewegt; Bilden einer Schicht aus dem Kernglas, das die lichtemittierende Substanz enthält, durch Sintern der porösen Schicht, die die lichtemittierende Substanz enthält; und Bilden eines stabförmigen Vorformlings, indem man das erhaltene hohle Rohr zu einem massiven Gegenstand zusammenzieht.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser zur Gewinnung einer optischen Faser durch Erhitzen und Verspinnen des Vorformlings für die optische Faser, der durch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 erhalten wurde.