NL1022087C2

NL1022087C2 - Werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel.

Info

Publication number: NL1022087C2
Application number: NL1022087A
Authority: NL
Inventors: Rob Hubertus Matheus Deckers; Dennis Robert Simons; Henrikus Lambertus Mari Jansen; Gerard Johan Albert Ypma
Original assignee: Draka Fibre Technology Bv
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-08
Also published as: RU2003135435A; EP1426341A2; ZA200309366B; DK1426341T3; DE60305131D1; CN1508085A; ATE325783T1; DE60305131T2; EP1426341B1; JP4467292B2; US20040163417A1; EP1426341A3; KR20040049282A; RU2318226C2; CN1251983C; BR0305405B1; BR0305405A; KR100984808B1; JP2004182596A

Description

Korte aanduiding: Werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel door het in een substraatbuis 5 uitvoeren van één of meer chemische dampdepositiereacties, welke werkwijze de volgende stappen omvat i) Het aan de substraatbuis toevoeren van één of meer, al of niet van doteringen voorziene glasvormende precursors, ii) Het aan de substraatbuis toevoeren van een 10 stoichiometrische overmaat hoeveelheid zuurstof, iii) Het in de substraatbuis tot stand brengen van een reactie tussen de in stap i) en ii)toegevoerde reactanten om depositie van één of meer glaslagen op het inwendige van de substraatbuis tot stand te brengen, 15 iv) De aldus in stap iii) beklede substraatbuis onderwerpen aan een collapse-handeling ter vorming van een voorvorm en tenslotte v) Het onder verwarmen uit de voorvorm trekken van een optische vezel en het afkoelen hiervan.

Een dergelijke werkwijze is op zich bekend uit het 20 Amerikaans octrooi schrift 4.314.833 waarbij de depositiesnelheid wordt verhoogd zonder het vormen van fijne glasdeeltjes in de gasfase en waarbij de inwendige diameter van de substraatbuis na de depositiehandeling zo gering mogelijk wordt gehouden om een probleemvrije collapse-handeling te garanderen. Volgens dit Amerikaans octrooi schrift 25 werd verrassenderwijs gevonden dat er een eenvoudige relatie bestaat tussen de inwendige diameter van de substraatbuis tijdens de depositiehandeling en de maximum depositiesnelheid waarbij geen fijne glasdeeltjes in de gasfase worden gevormd. Voor de depositiehandeling werd een onderscheid gemaakt tussen een drietal afzonderlijke gebieden, 30 te weten een eerste gebied waarin fijne glasdeeltjes in de gasfase worden gevormd, een tweede gebied waarin de ondergrens voor de inwendige ; Ί ') 9 Π ft 7 I diameter van de substraatbuis bij een bepaalde depositiesnelhedi is I aangegeven, en tenslotte een derde gebied liggend tussen de hiervoor I genoemde eerste en tweede gebieden, welk derde gebied de voorkeur I verdienende omstandigheden definieert. Hierbij kan verder nog worden I 5 opgemerkt dat de met glaslagen te bedekken substraatbuis en de dikte van de door depositie aan te brengen lagen zodanig moeten worden gekozen dat I de opvolgende collapse-handeling geen aanvullende problemen mag I veroorzaken. Indien namelijk aan het einde van de depositiehandeling de I inwendige diameter van de substraatbuis te groot is, kunnen tijdens de I 10 collapse-handeling bepaalde problemen optreden, zoals bijvoorbeeld de I vorming van een elliptische voorvorm, een voorvorm die doorzakt of andere I geometrische fouten bezit, waarbij is aangegeven dat hoe korter de I collapse-handeling duurt, hoe groter een mate van rotatiesymmetrie in de I voorvorm zal worden verkregen.

I 15 Een door de onderhavige uitvinders gesignaleerd nadeel van I het hiervoor genoemde Amerikaanse octrooi schrift is dat slechts I experimentele resultaten zijn weergegeven van afzetsnelheden variërend I van 0,08 g/minuut tot 0,45 g/minuut, welke waarden in de huidige tijd I onvoldoende hoog zijn. Daarnaast verschaft de in het hiervoor genoemde I 20 Amerikaanse octrooi schrift ingesloten grafiek geen informatie met betrekking tot hogere afzetsnelheden, bijvoorbeeld hoger dan I 2,0 g/minuut. De onderhavige uitvinders hebben dan ook gevonden dat bij I afzetsnelheden hoger dan 2 g/minuut de in het hiervoor genoemde I Amerikaanse octrooi schrift gesuggereerde procesomstandigheden niet meer I 25 gelden.

I Het doel van de onderhavige uitvinding is aldus het verschaffen van een werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel, I welke werkwijze de voor hoge afzetsnelheden vereiste procesomstandigheden I nauwkeurig definieert.

I 30 Nog een ander doel van de onderhavige uitvinding is het I verschaffen van een werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel, I 'inOonn-n 3 welke werkwijze zodanige procesomstandigheden definieert dat onder toepassing van een hoge afzetsnelheid de vorming van kleine glasdeeltjes in de gasfase wordt voorkomen.

Nog een ander doel van de onderhavige uitvinding is het 5 verschaffen van een werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel, welke werkwijze na de depositie van een of meer glaslagen op het inwendige van de substraatbuis een zodanige geometrie aan de substraatbuis verleent dat de aansluitende stap van collapse-handeling een rotatie-symmetrische voorvorm oplevert.

10 De werkwijze zoals vermeld in de aanhef wordt gekenmerkt doordat tijdens de depositie volgens stap iii) het Reynoldsgetal voldoet aan 64 < Re < 180, waarin het Reynoldsgetal is berekend op basis van de in stap i) en stap ii) aan de substraatbuis toegevoerde reactanten, onder de tijdens stap iii) in het inwendige van de substraatbuis heersende 15 temperatuur- en drukomstandigheden.

Door het uitvoeren van de werkwijze zoals hiervoor omschreven worden de doelstellingen volgens de onderhavige uitvinding bereikt. Het Reynoldsgetal (Re) is een voor deskundigen op dit gebied bekende dimensieloze parameter en samengesteld uit het product van 20 dichtheid, gassnelheid en inwendige diameter substraatbuis, gedeeld door de viscositeit, waarbij de waarden zijn gebaseerd op de aan het inwendige van de substraatbuis toegevoerde gassen, in het bijzonder de tot het mengsel van gassen behorende fysische waarden. Uit de ingesloten voorbeelden en ter vergelijking dienende voorbeelden volgt het belang van 25 de waarde van het Reynoldsgetal op de onderhavige werkwijze.

In de onderhavige werkwijze verdient het met name de voorkeur dat tijdens stap iii) een druk van 4-35 mbar wordt toegepast.

i

Daarnaast verdient het de voorkeur dat tijdens stap iii) de substraatbuis een temperatuur van 1000-1150 °C bezit.

30 Het is tevens gewenst dat tijdens stap ii) een stoïchiometrische overmaat hoeveelheid zuurstof in het gebied 1,8-5,0 if ü ï. i v 8 i I wordt toegepast.

I Voor het tot stand brengen van een reactie tussen de in I stap i) en ii) toegevoerde reactanten wordt bij voorkeur in het inwendige I van de substraatbuis een plasma gegenereerd om aldus depositie van een of I 5 meer glaslagen te bewerkstelligen, waarbij het de voorkeur verdient dat tijdens stap iii) de plasmazone ten opzichte van de substraatbuis wordt I bewogen. Aldus verdient het de voorkeur dat de onderhavige werkwijze I wordt uitgevoerd volgens het Plasma Chemical Vapour Deposition (PCVD) proces.

I 10 De onderhavige uitvinders hebben verrassenderwijs gevonden I dat niet de afzetsnelheid, zoals gesuggereerd in het hiervoor besproken

Amerikaans octrooi schrift 4.314.833, welke parameter in feite een I afgeleide grootheid is, maar dat de totale gassnelheid, te weten de aan I het inwendige van de substraatbuis toegevoerde glasvormende gassen, met 15 name geschikt is voor het karakteriseren van de gewenste I procesomstandigheden.

I Indien tijdens stap iii) de substraatbuis met een temperatuur lager dan 1000 °C wordt toegepast, zal dit tot een ongewenste I inbouw van chloor in de afgezette glaslagen leiden. Indien daarentegen de I 20 substraatbuis met een temperatuur hoger dan 1150 ‘C wordt toegepast, zal vervorming van de substraatbuis, in het bijzonder zogenaamde onrondheid, I optreden. Voor de in stap iii) van de onderhavige werkwijze toegepaste I druk in de substraatbuis geldt dat bij een waarde hoger dan 35 mbar veel I verontreinigingen in de afgezette glaslagen worden ingebouwd, hetgeen I 25 ongewenst is. Met name leidt de inbouw van chloor tot problemen, in het bijzonder omdat er belletjes ontstaan. Indien daarentegen de druk in de I substraatbuis tijdens stap iii) van de onderhavige werkwijze lager dan 4 mbar is, wordt het plasma langer en neemt bij gelijkblijvend I hoogfrequent vermogen de intensiteit van het plasma af, resulterend in 30 een onvoldoende conversie van chloriden in oxiden. Ten aanzien van de in I de onderhavige werkwijze toegepaste stoïchiometrische overmaat 5 hoeveelheid zuurstof kan worden opgemerkt dat een overmaat beneden een waarde van 1,8 problemen zal verschaffen ten aanzien van de stabiliteit van het plasma, waardoor een ongewenste inbouw van chloor in de afgezette lagen zal geschieden. Indien daarentegen een stoïchiometrische overmaat 5 hoeveelheid zuurstof van meer dan 5,0 wordt toegepast, zal dit resulteren in een te hoge gassnelheid in het plasma, waardoor de verblijftijd van de reactieve gassen in de reactiezone te laag is en derhalve het omzettingsrendement ongewenst zal dalen. Bovendien zal ook een ongewenste vorming van kleine glasdeeltjes optreden. Hierbij kan tevens nog worden 10 opgemerkt dat het voor de depositie benodigde ingekoppelde plasmavermogen direct is gerelateerd aan de aan het inwendige van de substraatbuis toegevoerde hoeveelheid glasvormende moleculen.

De onderhavige uitvinders hebben aldus gevonden dat voor het verkrijgen van een inbouwrendement van Si02 (en eventuele doteringen) 15 van meer dan 90% het Reynoldsgetal niet groter mag zijn dan 180 om de vorming van kleine glasdeeltjes te voorkomen, in het bijzonder bij de maximale stoïchiometrische overmaat hoeveelheid zuurstof. Verder hebben de onderhavige uitvinders gevonden dat het Reynoldsgetal ten minste 64 moet bedragen omdat bij een lagere waarde het plasma een aanzienlijke 20 instabiliteit zal vertonen, in het bijzonder bij een minimale stoïchiometrische overmaat hoeveelheid zuurstof.

De ingesloten figuur vertoont het zogenaamde werkgebied of process window voor PCVD, waarbij op de horizontale as de inwendige diameter van de substraatbus (mm) en op de verticale as de totale 25 stroomsnelheid van de aan het inwendige van de substraatbuis toegevoerde gassen is weergegeven. Voor het verkrijgen van een afzetrendement van meer dan 90%, bij een afzetsnelheid groter dan 2 g/minuut, verdient het de voorkeur dat het werkgebied, waarbij aan de hiervoor genoemde eisen wordt voldaan, zich bevindt tussen de bovenste lijn, corresponderend met 30 een Reynoldsgetal van 180, en de onderste lijn, corresponderend met een Reynoldsgetal van 64. In de ingesloten figuur is tevens een minimale i 0 2 l u 8 i t 6 afzetsnelheid van 2 g/minuut aangegeven.

De onderhavige uitvinding zal hierna aan de hand van een aantal voorbeelden en ter vergelijking dienende voorbeelden worden toegelicht, waarbij echter dient te worden opgemerkt dat de onderhavige 5 uitvinding in geen geval tot dergelijke bijzondere voorbeelden is beperkt.

Voorbeeld 1.

Een glazen substraatbuis met een inwendige diameter van 26 mm werd aan de binnenzijde hiervan voorzien van lagen Si02 en Si02 10 gedoteerd met Ge02. Deze lagen werden met behulp van PCVD-techniek afgezet onder toepassing van een totale afzetsnelheid van 2,5 g/minuut. De overmaat aan zuurstof bedroeg 3,5 en de maximale totale gasflow door het inwendige van de substraatbuis werd ingesteld op 4196 sccm. De minimale druk in de substraatbuis tijdens het afzetten van de lagen werd 15 gehandhaafd op een waarde groter dan 10 mbar en een maximale druk in de substraatbuis tijdens het afzetten werd gehandhaafd op een waarde lager dan 30 mbar. Aan het begin van de depositie, waarbij sprake was van een inwendige substraatbuisdiameter van 26 mm, bedroeg het Reynoldsgetal voor het gasmengsel bij een inwendige substraatbuistemperatuur van 1100 °C, 20 113. Het afzetten van de lagen werd beëindigd bij een inwendige substraatbuisdiameter van 18 mm, waarbij het Reynoldsgetal een waarde van 163 bezat. De buis werd vervolgens gecontraheerd tot een massieve voorvorm, waaruit een optische vezel van goede kwaliteit werd verkregen.

Voorbeelden 2-3 en ter vergelijking dienende voorbeelden 25 1^2.

In substraatbuizen met een inwendige diameter van 20 mm werd gedurende 1 uur Si02 afgezet met behulp van PCVD-techniek. De toegevoegde hoeveelheid Si Cl4 bedroeg steeds 933 sccm (voldoende voor een afzetsnelheid van ten minste 2,5 g/minuut bij een afzetrendement van 30 100%). De overmaat hoeveelheid zuurstof bij elk experiment werd gevarieerd waardoor de totale flow en het Reynoldsgetal bij elk 1 f) 9 o n q 7 .

7 experiment varieerden. De overige condities (druk en temperatuur) werden op dezelfde waarde'als in het hiervoor vermelde Voorbeeld 1 gehandhaafd. Aan het einde van elk experiment werd met behulp van de gemeten gewichtstoename van de substraatbuis het afzetrendement berekend. De 5 resultaten zijn in onderstaande tabel weergegeven.

Voorbeeld 02 overmaat Reynoldsgetal Afzetrendement

Voorbeeld 2 3 136 95%

Voorbeeld 3 4,5 169 93% 10 Ter vergelijking '5 181 89% dienend voorbeeld 1

Ter vergelijking 6 209 80% dienend voorbeeld 2 15

Uit de hiervoor weergegeven tabel volgt dat bij een Reynoldsgetal hoger dan 180 het afzetrendement lager is dan 90%, welke waarde derhalve kritisch is.

Ter vergelijking dienende voorbeelden 3-4.

20 In een substraatbuis met een inwendige diameter van 29 mm werden met behulp van de PCVD-techniek glaslagen afgezet met een constant toegevoerde hoeveelheid SiCl4 van 784 sccm. In ter vergelijking dienend voorbeeld 3 werd de overmaat zuurstof langzaam verlaagd van 5 naar 1,5. Bij een zuurstofovermaat van 1,8 en een bijbehorend Reynoldsgetal van 64 25 traden er in het plasma instabiliteiten op die zichtbaar waren door ernstige drukvariaties in de substraatbuis. Een verdere verlaging van de zuurstofovermaat deed het plasma tenslotte doven.

In ter vergelijking dienend voorbeeld 4 werd het hiervoor genoemde experiment herhaald, echter met een substraatbuis voorzien van 30 een inwendige diameter van 37 mm en een constante hoeveelheid Si Cl4 van 933 sccm. Ook in dit ter vergelijking dienend voorbeeld was er sprake van -/22087- H een instabiel plasma bij een zuurstof overmaat van 2 of lager en een I bijbehorend Reynoldsgetal van 64.

1ΠΟΟΠ07

Claims

1. Werkwijze ter vervaardiging van een optische vezel door het in een substraatbuis uitvoeren van één of meer chemische 5 dampdepositiereacties, welke werkwijze de volgende stappen omvat i) Het aan de substraatbui s toevoeren van één of meer, al of niet van doteringen voorziene glasvormende precursors, ii) Het aan de substraatbuis toevoeren van een stoichiometrische overmaat hoeveelheid zuurstof, 10 iii) Het in de substraatbuis tot stand brengen van een reactie tussen de in stap i) en ii)toegevoerde reactanten om depositie van één of meer glaslagen op het inwendige van de substraatbuis tot stand te brengen, iv) De aldus in stap iii) beklede substraatbuis onderwerpen 15 aan een collapse-handeling ter vorming van een voorvorm en tenslotte v) Het onder verwarmen uit de voorvorm trekken van een optische vezel en het afkoel en hiervan, met het kenmerk, dat tijdens de depositie volgens stap iii) het Reynoldsgetal voldoet aan 64 < Re < 180, waarin het Reynoldsgetal is berekend op basis van de in stap i) en stap 20 ii) aan de substraatbuis toegevoerde reactanten, onder de tijdens stap iii) in het inwendige van de substraatbuis heersende temperatuur- en drukomstandigheden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tijdens stap iii) een druk van 4-35 mbar wordt toegepast.

3. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat tijdens stap iii) de substraatbuis een temperatuur van 1000-1150 °C bezit.

4. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat tijdens stap ii) een stoichiometrische 30 overmaat hoeveelheid zuurstof in het gebied 1,8-5,0 wordt toegepast.

5. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande 1022 0 ö 7 H conclusies, met het kenmerk, dat stap iii) het vormen van een plasma binnen de substraatbuis omvat om depositie van een of meer glaslagen te bewerkstelligen.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat tijdens 5 stap iii) de plasmazone ten opzichte van de substraatbuis wordt bewogen.

7. Werkwijze volgens een of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat in stap iii) een depositi esnel heid van ten minste 2 g/minuut wordt toegepast.