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Industrieller Anwendungsbereich
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer optischen Faser-Vorform, insbesondere auf ein Verfahren zur
Herstellung einer optischen Faser-Vorform, die die kostengünstige Herstellung
qualitativ hochwertiger optischer Fasern ermöglicht, und die ein Schmelzschweißen eines
Quarzglasrohres zum Einsatz in der optischen Faser-Vorform zusammen
mit einem Kernglasstab zum Einsatz in der optischen Faser-Vorform unter
Bildung eines monolithischen Produktes umfasst, wobei von einem
Zustand bei Überdruck
zu einem Zustand bei verringertem Druck gewechselt wird.
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Stand der Technik
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In
jüngster
Zeit werden mit zunehmendem Einsatz optischer Fasern in großen Mengen
immer höhere
Anforderungen an die Massenproduktion und Kostenreduzierung optischer
Fasern gestellt. Die Massenproduktion und Kostenreduzierung bei
der Herstellung optischer Fasern kann im einfachsten Fall durch
Herstellung einer großvolumigen
optischen Faser-Vorform und anschließendem Ziehen derselben erzielt
werden. Bei den üblicherweise
eingesetzten Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, wie beispielsweise
der axialen Dampfphasenabscheidung (vapor-phase axial deposition
process; VAD) oder dem Außenabscheideverfahren
(outer vapor-phase deposition process; OVD-Verfahren) werden der
Kernbereich und der Mantelbereich jeweils mittels des VAD oder des
OVD-Verfahrens hergestellt. Beim Hochskalieren ergibt sich der Nachteil, dass
die Produktivität
der optischen Faser-Vorform verringert werden kann. Weiterhin wurde
versucht, größere Sootkörper herzustellen
(das ist ein Vorläufermaterial
für eine
optische Faser-Vorform
in Form eines porösen
Körpers,
der anschließend
zu einem transparenten Körper
verglast wird), wobei aber Schwierigkeiten, wie das Entstehen von
Rissen oder das Abfallen des porösen
Sootkörpers
auftreten können,
was die Produktivität
beträchtlich
verringert. Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser-Vorform, das die
oben genannten Schwierigkeiten vermeidet, wird beispielsweise in
der
JP-A-7-109136 in Form
eines Herstellungsverfahrens vorgeschlagen, nämlich der so genannten Stab-in-Rohr-Methode,
die die Herstellung eines Quarzglasrohres zum Einsatz als Mantelbereich,
der 80 % oder mehr der Querschnittsfläche ausmacht, beinhaltet, mittels
eines Verfahrens, das zur Herstellung eines Hochleistungsrohres
bei geringen Kosten geeignet ist, und einem anschließenden monolithischen
Verbinden des so erhaltenen Quarzglasrohres mit einem Kernglasstab, der
beispielsweise mittels des VAD-Verfahrens oder des OVD-Verfahrens
hergestellt worden ist. Bei der Stab-in-Rohr-Methode wird im allgemeinen
ein Gas im Ringspalt zwischen dem Quarzglasrohr für eine optische
Faser-Vorform und dem Kernglasstab für eine optische Faser-Vorform
gespült,
um den Eintrag von Verunreinigungen und dergleichen zu verhindern oder
um die OH-Gruppen zu kontrollieren (siehe
JP-A-52-200042 ,
JP-A-4-42848 ,
JP-A-6-42848 und
JP-A-6-21725 ). Da andererseits das
Schmelzschweißen
zu einem monolithischen Körper
unter einem verringerten Druck ausgeführt werden sollte, müssen ein
Ende des Quarzglasrohres für
den Einsatz in Vorformen verschlossen und der Druck vor dem Schmelzschweißen verringert
werden. Die Aufrechterhaltung des Unterdrucks ist beispielsweise
in der
JP-A-7-196332 oder
JP-A-8-277138 erläutert.
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Durch die Erfindung zu lösende Probleme
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Für eine Kostenreduzierung
beim Stab-in-Rohr-Verfahren ist es wesentlich, das Quarzglasrohr
für den
Einsatz in optischen Faser-Vorformen ohne jeden Verlust einzusetzen,
und es ist insoweit bevorzugt, das Erweichen des Quarzglasrohres für eine optische
Faser-Vorform in einem Bereich einzuleiten, der so nahe wie möglich am
Rand des Quarzglasrohres für
optische Faser-Vorformen liegt. Da außerdem das Quarzglasrohr für den Einsatz
in einer optischen Faser-Vorform teuer ist, wird grundsätzlich ein
Dummy-Rohr eingesetzt, nachdem das Schmelzschweißen ausgeführt worden ist, m einen monolithischen
Körper
für diesen
Teilbereich zu erhalten, bevor sich die Abmessung der optischen
Faser-Vorform stabilisiert. Das Dummy-Rohr ist ein Rohr das mit
einem oben genannten Quarzglasrohr für optische Faser-Vorformen
verbunden wird, und das aus einem kostengünstigen Quarzglas geringer Qualität hergestellt
ist, wie etwa einer solchen, die Verunreinigungen, Poren und dergleichen
in großer Menge
enthält;
wobei es jedoch in Anbetracht des zunehmenden Gesamtgewichts und
der Kosten für
das Dummy-Rohr selbst bevorzugt ist, dass das Dummy-Rohr mit einer
Länge bereitgestellt
wird, die so kurz wie möglich
ist, und dass dann das Schmelzen von einem Endbereich desselben
einsetzt. Um diese Bedingungen zu erfüllen, wird der untere Endbereich des
Quarzglasrohres für
optische Faser-Vorformen, oder in Fällen unter Einsatz des Dummy-Rohres
das untere Ende des Dummy-Rohres, innerhalb eines Heizofens während des
Aufheizens zur Einleitung des Schmelzvorgangs eingesetzt. Wenn jedoch
das Heizen in diesem Stadium durchgeführt wird, gelangt die verunreinigte
Atmosphäre
innerhalb des Heizofens in das Quarzglasrohr. Daher ist es erforderlich, ein
Gas vom oberen Endbereich des Quarzglasrohres einzuleiten, um das
innere des Rohres rein zu halten.
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Bei
der Einleitung des Aufheizens zum Schmelzschweißen des Quarzglasrohres für optische
Faser-Vorformen unter Bildung eines monolithischen Produktes zusammen
mit dem Kernglasstab für
optische Faser-Vorformen ist es andererseits erforderlich, die Gaszufuhr
umzuschalten um den Druck zu verringern. Dies kann jedoch dadurch
erreicht werden, dass der Endbereich, von dem aus das Schmelzen
eingeleitet wird, verschlossen wird. Wenn die Druckverringerung
vor dem Verschließen beginnt,
insbesondere dann, wenn das offene Ende immer noch innerhalb des
Heizofens ist, wird die verunreinigte Atmosphäre innerhalb des Heizofens
in das Rohr eingesaugt. Dadurch wird eine optische Faser-Vorform
erzeugt, bei der verbleibende Verunreinigungen oder Blasen an der
Schmelzschweiß-Kontaktfläche zwischen
dem Quarzglasrohr und dem Quarzglasstab bleiben, was zu einer optischen
Faser mit ungünstigen
Eigenschaften führt.
Daher ist es erforderlich, den Druck zu verringern, nachdem der Endbereich
der Seite, von der aus das Schmelzen eingeleitet wird, erschmolzen,
lang gestreckt durch die Schwer kraft und von der Unterseite des
Ofens her aus dem Heizofen herausgezogen ist. Andererseits wird
die Öffnungsweite
am unteren Ende des Quarzglasrohres für optische Faser-Vorformen
mit zunehmenden Schmelzgrad des Quarzglasrohres infolge von Oberflächenspannung
und dem Elongieren in der Längsrichtung
und infolge der Schwerkraft allmählich
kleiner; jedoch wird im Fall der Aufrechterhaltung eines konstanten
Druckes unter Einsatz eines herkömmlichen
Druckreglers oder ähnlichem, oder
bei einem Gasfluss mit Gasflussregelung, die Gaszufuhr nicht verändert, auch
wenn die Öffnungsweite
infolge des Schmelzens des Quarzglasrohres verringert wird. Es kann
daher passieren, dass sich der Bereich oberhalb der verkleinerten Öffnung infolge
des Gasdruckes ausdehnt, was schließlich zu einer Explosion führen kann.
Wenn der erschmolzene Bereich beobachtet werden kann, kann die Gaszufuhrrate
in Abhängigkeit
von dem beobachteten Ergebnis verringert werden. Es ist jedoch schwierig, dies
innerhalb eines Ofens zu beobachten.
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Im
Lichte der oben genannten Umstände
haben die Erfinder aufwändige
Studien betrieben und es wurde gefunden, dass die oben genannten
Probleme gelöst
und dass vorteilhafte optische Faser-Vorformen mit niedrigen Kosten
hergestellt werden können,
indem der Druckverlust unter Berücksichtigung
der Gaszufuhr in den Spalt zwischen dem Quarzglasrohr und dem Kernglasstab
gemessen wird, und wobei die Gaszufuhr so kontrolliert wird, dass
der Druckverlust konstant gehalten werden kann. Im Hinblick auf
die oben genannten Erkenntnisse wurde die vorliegende Erfindung
vollendet. Dabei ist es insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein kostengünstiges
Verfahren zur Herstellung einer vorteilhaften Faser-Vorform anzugeben,
welches eine günstige
Veränderung
des Zustands der Gasversorgung zum Zustand des verringerten Drucks
beinhaltet, wodurch eine große brauchbare
Länge des
Quarzglasrohres erreicht wird.
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Mittel zur Lösung der
Probleme
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Die
oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer
optischen Faser-Vorform gelöst,
umfassend das Bereitstellen einer vertikalen Anordnung eines Kernglasstabs
und eines Quarzglasrohres durch Einsetzen des Kern glasstabs in das
Quarzglasrohr, Zuführen
der Anordnung zu einem Vertikalziehofen und anschließendes Erweichen des
Kernglasstabs und des Quarzglasrohres und Verschweißen derselben
durch Kollabieren des Spaltes zwischen denselben unter Bildung eines
monolithischen Produktes, dadurch gekennzeichnet, dass das Erweichen
gestartet wird, wenn das untere offene Ende des Quarzglasrohres
innerhalb des Heizofens angeordnet ist, wobei vom oberen Ende des Quarzglasrohres
ein Gas in den Spalt eingeleitet und dadurch ein Überdruck
im Spalt erzeugt wird, und dass nachdem das untere Ende des Quarzglasrohres 1 aus
dem Heizofen infolge von Schmelzverformung und Verlängerung
infolge der Schwerkraft herausgezogen ist, die Gaszufuhr unterbrochen
und der Druck innerhalb des Spalts in einen Unterdruck geändert wird.
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Wie
oben beschrieben, umfasst das Verfahren zur Herstellung einer optischen
Faser-Vorform entsprechend der vorliegenden Erfindung das Einleiten
des Schmelzvorgangs in einem Zustand, in dem das untere offene Ende
des besagten Quarzglasrohres innerhalb des Heizofens angeordnet
ist, wobei vom oberen Ende des Quarzglasrohres ein Gas zugeführt wird,
und dass nachdem der untere Endbereich des Quarzglasrohres infolge
von Schmelzverformung und Verlängerung
infolge der Schwerkraft aus besagtem Heizofen herausgezogen ist,
die Gaszufuhr unterbrochen und der Druck reduziert werden. Die Gasversorgung
erfolgt vorzugsweise, indem die Fluktuation des Gasdrucks unter
Einsatz einer Gasregeleinrichtung im Spalt und in der Nähe des oberen offenen
Endes des Quarzglasrohres gemessen wird, und indem in Abhängigkeit
von den ermittelten Werten das Gas zugeführt wird. Durch die oben beschriebene
Kontrolle kann der Überdruck
konstant gehalten werden, auch wenn sich der Spalt zwischen dem Quarzglasrohr
und dem Kernglasstab infolge des Schmelzens verengt. Das Umschalten
von einem Überdruck
zu dem Unterdruck wird zu dem Zeitpunkt ausgeführt, wenn das Ausziehen des
unteren Endbereiches des Quarzglasrohres (oder des unteren Endbereiches
des Dummy-Rohres im Fall, dass ein Dummy-Rohr verwendet wird) visuell
oder mittels eines Sensors erkannt wird. Da nachdem der Endbereich derjenigen
Seite, von der aus das Schmelzen begonnen wird, aus dem Ofen herausgezogen
wird, der Druck von einem positiven Wert zu einem negativen Wert
geändert
wird, kann die Öffnungsweite
genügend
klein gehalten werden und die Vis kosität kann ausreichend verringert
werden. Demzufolge kann das Einsaugen der Atmosphäre sogar
verhindert werden, wenn der geschlossene Zustand unmittelbar realisiert
werden sollte; auf diese Weise kann nicht nur die mit den verunreinigenden
Substanzen innerhalb des Ofens einhergehende Verunreinigung vermieden
werden, sondern das Quarzglasrohr kann auch effektiv und ohne jeden
Verlust verwendet werden. Der oben erwähnte Überdruck kennzeichnet ein Stadium,
in dem der Druck auf einen Wert oberhalb des umgebenden Druckes
erhöht
ist, indem ein Gas in den Spalt zwischen dem Quarzglasrohr und dem Kernglasstab
eingeleitet wird, und wobei das hierbei eingesetzte Gas als Reinigungsgas,
als Kontaminationsvermeidungsgas, als OH-Gruppen-Einstellungsgas
und dergleichen bezeichnet werden kann; und wobei insbesondere solche
Gase bevorzugt sind, die den Heizofen nicht beeinträchtigen,
wie beispielsweise reines N2-Gas, Ar2-Gas usw. Der Unterdruck kennzeichnet ein
Stadium, in dem der Druck in dem Spalt zwischen dem Quarzglasrohr
und dem Quarzglasstab auf einen Wert verringert ist, der nicht höher ist als
der Umgebungsdruck. Der verringerte Druck kann dadurch realisiert
werden, dass der untere Endbereich des Quarzglasrohres verschlossen
wird, und dann das Gas und ähnliches
abgesaugt wird, nachdem der obere Endbereich mit einer Druckminderungsvorrichtung
verbunden worden ist.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine erläuternde Ansicht zur Ausführung des
Verfahrens zur Herstellung einer optischen Faser-Vorform. Bezug
nehmend auf 1 wird ein Quarzglasstab 2 in
ein Quarzglasrohr eingesetzt, und die daraus resultierende Anordnung
wird auf einer Zufuhrvorrichtung (nicht dargestellt) einer Vertikaleinrichtung
für den
Einsatz im Stab-in-Rohr-Prozess fixiert. Dann wird das Umschaltventil 9 auf
eine Gaszuführungsleitung
umgeschaltet, um Gas von der Gasversorgungseinrichtung 3 in
das Quarzglasrohr 1 von dessen oberer Seite her einzuleiten,
wobei das Gas von der unteren Seite des Quarzglasrohres 1 für optische Faser-Vorformen
wieder entweicht. Der anfängliche Wert
für die
Gasversorgungsrate wird entsprechend der Menge an Gas bestimmt,
die in Anbetracht der Öffnungsweite
oder ähnlichem
des Quarzglasrohres notwendig ist.
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Zu
Beginn der Gasversorgung mit dem anfänglichen Wert wird das Signal
der Druckmesseinrichtung 6 an eine Kontrolleinrichtung 5 übermittelt, so
dass der mittels der Druckmesseinrichtung 6 gemessene Wert
durch die Zufuhrrate gehalten wird. Die Kontrolleinrichtung 5 führt die
Kontrolle derart aus, dass ein Signal zu dem Flussratenkontrollventil 8 geleitet
wird, wodurch das Signal der Druckmesseinrichtung 6 konstant
gehalten wird. Nach dem Beginn des Aufheizens wird der untere Endbereich
des Quarzglasrohres erweicht und infolge der Schwerkraft verlängert und
von der unteren Seite des Vertikalziehofens 7 ausgelassen.
Der untere, aus dem Ofen ausgelassene Endbereich des Quarzglasrohres 1 wird
dann an einer Vorform-Zieheinrichtung (nicht dargestellt) der vertikalen
Stab-in-Rohr-Zieheinrichtung
fixiert. Mittels des Signals vom Quarzglasrohr-Sensor 10 ermittelt
die Kontrolleinrichtung 5, dass der untere Endbereich des
Quarzglasrohres erweicht und aus dem unteren Ende des vertikalen
Ziehofens 5 ausgelassen ist, und sendet ein Signal zu dem
Flussratenregelventil 8 und zum Umschaltventil 9,
um die Gaszufuhr zu unterbrechen und mittels der Evakuierungseinrichtung 4 mittels
des Evakuierungssystems in den Unterdruckstatus umzuschalten. Es ist
nicht erforderlich, dass das Evakuierungssystem 4 das Signal
von der Regeleinrichtung 5 empfängt, wenn das Evakuierungssystem
im Voraus arbeitet, jedoch kann der Arbeitsablauf durch Empfangen
eines Signals von der Regeleinrichtung 5 eingeleitet werden,
um die Druckreduzierung gleichzeitig mit dem Umschalten des Umschaltventils 9 zu
starten. De es andererseits möglich
ist, den Zeitpunkt an dem das Quarzglasrohr aus dem Ofen herausgelassen wird
zu beobachten, kann der Sensor 10 weggelassen werden, um
die Gasversorgung manuell in den Unterdruckstatus zu schalten.
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Effekt der Erfindung
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Bei
dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Gasversorgungsstatus vor dem Einleiten des Schmelzschweißvorgangs nahtlos
in einen Unterdruckstatus nach dem Schmelzschweißen geändert. Auf diese Weise werden
eine Expansion des Bereiches knapp oberhalb des Bereiches mit verringerter Öffnungsweite
des Quarzglasrohres vor dem Beginn des Schmelzweißens, und
durch das Spülen
mit einem Gas bis zum Verschluss des Rohres durch Schmelzschweißen das
Auftreten einer Kontamination durch kontaminierende Substanzen verhindert.
Im Ergebnis wird eine optische Faser-Vorform erhalten, die an der
Grenzfläche
frei von Blasen und Fremdstoffen ist.