NO158573B - Fremgangsmaate for fremstilling av emner for optiske fibre. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fysiske bærere for optiske telekommunikasjonssystemer og nærmere bestemt angår den en fremgangsmåte for fremstilling av optiske fiberemner av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Fremgangsmåten for optisk fiberfremstilling innbefatter to hovedtrinn: en hvor et sylindrisk emne blir fremstilt med en radial brytningsindeksprofil lik en av fibrene, og den andre ved hvilken emnet blir oppvarmet og trukket til optiske fibre.

Det første trinnet krever stor forsiktighet dersom det skal tilveiebringes fibre med gode mekaniske og transmisjonsegen-skaper. Nærmere bestemt er det nødvendig å redusere til et minimum de metalliske og/eller vannforurensningene i emnet for å unngå høye tap som følge av absorpsjon i bølgelengde-området anvendt ved telekommunikasjoner.

For dette formål har det blitt foreslått flere metoder ved siden av å sikre høy materlalrenhet og tillate en fornuftig fremstillingshastighet av emnet.

En vidt utbredt metode er basert på planaravsetning av. oksyder tilveiebrakt for kjemiske synteser av dampfasereaktanter.

Denne metoden har fått navnet CVD (kjemisk dampavsetning) og har i det minste to varianter: IVPO og OVPO.

Den første varianten innbefatter avsetning på den indre overflaten av et bærerør (innvendig dampfaseoksydasjon), mens den andre varianten innbefatter avsetning på den ytre overflaten til en bæredor (utvendig dampfaseoksydasjon). Ved begge tilfellene blir kjemiske reaktanter overført mot bæreren og oksydert ved hjelp av en brennerflamme i en atmosfære anriket med oksygen for å tilveiebringe pulver-formet silisiumdioksyd (silica) på egnet måte dopet med oksyder av andre elementer i samsvar med ønsket brytnings-indeks.

I tilfelle av IVPO-prosessen strømmer reaktantene inn i bærerøret som er fremstilt av silisiumoksydglass og oksyda-sjonsreaksjonene med påfølgende avsetning blir tilveiebragt ved overføring i retning av reaktantstrømmen til en høy temperaturringsone.

Etter et egnet antall avsetningssykluser har emnet en rørformet form og en svampaktig struktur av melkefarve eller det er allerede forglasset, avhengig av temperaturen ved hvilken den tidligere operasjonen har blitt utført. Ved dette punktet blir emnet kollapset ved tilførsel av høy temperatur til en fast transparent stang.

Denne prosessarten utgjør generelt en større fleksibilitet hovedsakelig ved dopemiddelvalget og ved dannelsen av brytningsindeksprofilen, sammenlignet med den utvendige dampfaseavsetningsprosessen av OVPO-typen. MCVD-prosessen (modifisert kjemisk dampavsetning) utledet fra IVPO-teknikken er den mest vanlige anvendt ved optiske fiberfremstillinger.

Innvendig dampavsetningsprosess tillater dog ikke høye avsetningshastigheter og følgelig høy hastighet ved fremstilling av fibre.

I virkeligheten anvender de avsetningsteknikken til den "non local" typen, hvor reaksjonssonen ikke sammenfaller med avsetningssonen. I reaksjonssonen blir glassammensetningene syntetisert under form av små partikler i en kolloidal suspensjon, mens i avsetningssonen kleber glasspartikler til kvartssubstratet som en virkning av termoforetisk fenomen.

Avsetningskvaliteten med hensyn til jevn dopemiddelkonsentra-sjon og aksial jevnhet ved avsetningsmassen og ved fravær av lokaliserte forurensninger (reaktant inkorporert i matrisen, diffusjonssentra, etc.) er strengt avhengig av gasstrømmen som fører glasspartikler. Slik strøm er tilstede ved laminære forhold og skal følgelig bli begrenset ved endelige inter-vallverdier som er avhengig av reaktortypen.

For å unngå dannelsen av lokale forurensninger ved den innvendige teknikken, må det avsatte materialet dessuten bli forglasset og stivnet umiddelbart etter avsetningen. Dette innebærer bruk av arbeidstemperaturer ved avsetningssonen høyere enn temperaturene til forglasningsovergangen til den avsatte matrisen. Det er klart at dersom vi tar med i beregningen den aksiale termiske gradienten til et lag som er for tykt, kan materialet ikke bli avsatt. I virkeligheten vil den ytre temperaturen være lokalt for høy og følgelig kan kvartsreaktoren bli permanent ødelagt.

Den lavere produktiviteten oppstår også på grunn av det faktum at ved slutten av avsetningstrinnet utsettes emnet for et kollapstrinn ved samme anordning for påfølgende sykluser.

Den ytre avsetningsteknikken er lokal avsetningsteknikk. Den frembringer en porøs ikke-størknet struktur som består av partikler ved en temperatur lavere enn den til forglasningsovergangen til matrisen. Den porøse strukturen utsettes ikke for termiske spenninger, da den ikke ennå er størknet og avsetningen kan således bli bevirket intenst og over store størrelser.

Etter avsetningen krever den eksterne teknikken et påfølgende trinn for dehydratisering og størkning av strukturen.

Denne fasen inneholder ikke noen krymping lik den ved kollapsing i tilfelle av intern teknikk, da den kan finne sted parallelt, dvs. det er mulig å behandle flere emner med samme ovn.

Det skal bemerkes at MCVD-prosessen tillater en avsetningshastighet på omkring 2 g/min. som korresponderer med en fremstillingshastighet på omkring 5 km/t. I motsetning til den typiske prosessen til ekstern avsetning (OVD - utvendig dampavsetning; VAD - dampaksial avsetning) tillates en avsetningshastighet på omkring 4,5 g/min. som tilsvarer en fremstillingshastighet på omkring 10 km/t.

Produktiviteten for den utvendige avsetningshastigheten er to ganger så høy som den til den innvendige avsetningshastigheten.

Produktiviteten til innvendig avsetningsprosess kan ikke lett bli øket ved industriell fremstilling.

Innblandinger konstruert for å inkrementere avsetningshastigheten gjør dessuten prosessen mer kritisk og hindrer reproduserbarhet. Avsetningshastigheten kan f.eks. bli øket ved innblanding i den termiske gradienten ved kjøling av bærerøret og/eller ved å starte samtidig reaksjonen ved hjelp av radiofrekyensplasmaeksitering.

En massiv materialavsetning blir tilveiebragt kun ved betydelig økning i reaktantstrømmen. For å holde strømmen laminær er det da nødvendig å modifisere reaktorstørrelsen ved å øke dens diameter. Ved slike forhold er også emne-kollapsingstiden øket i motsetning til begynnelseshensikten.

Ved Innvendig prosess, avhenger produktiviteten av avsetningstrinnet såvel som ay kollapsingstrinnet. Disse opera-sjonene blir i virkeligheten utført ved forskjellige tids-punkter ved å anvende samme anordning.

Ulempene blir overvunnet ved prosessen og anordningen tilveiebragt av foreliggende oppfinnelse som tillater en høy hastighet ved fremstilling av emner for optiske fibre av høy renhet, nærmere bestemt av den typen som ble anvendt for langdistansetelekommunikasjoner ved å anvende innvendig avsetningsteknikk.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for fremstilling av emner for optiske fibre av den art som angitt i innledningen og hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravet .

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av to foretrukne utførelsesformer og ved hjelp av eksempler og med henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 viser et riss av en første anordning.

Fig. 2 viser et riss av en andre anordning.

Fig. 1 viser en del av anordningen for fremstilling av optiske fibre ifølge IVPO-prosessen. Nærmere bestemt er det vist reaksjonskammeret, dvs. silisiumoksydrøret 1 hvor reaksjonen blant damptilstandsreaktantene, produksjon av glasspartiklene og deres avsetning på den indre veggen finner sted. Reaksjonen er som kjent startet av en varmekilde som kan heve damptemperaturen i det minste til 1400" C og jevn-heten til det avsatte sjiktet blir sikret ved å rotere bærerøret 1 rundt dets akse og i samsvar med tidligere kjent teknikk ved aksial overføring av varmekilden.

Ifølge foreliggende oppfinnelse ble reaksjonen startet ved Inngangen til røret 1 til venstre og avsetningen ble bevirket samtidig på hele den indre veggen. Dette blir tilveiebrakt ved bruk av en varmekilde 2, ved dette eksempelet en elektrisk ovn, som er så lang som avsetningssonen. Et avsatt materialsjikt av konstant tykkelse blir tilveiebrakt som følge av anvendelsen av en bestemt type ovn. Nevnte ovn kan være fremstilt av grafitt, volfram eller andre elektrisk strømledende materialer som er temperatursikker til 2800°C og har en tilnærmet sylindrisk form. Nærmere bestemt er den fremstilt slik at den genererer forskjellige varmemengder langs røraksen med en regel som vil bli nærmere beskrevet senere. Dette blir tilveiebragt ved aksial variering av veggtykkelsen for således å variere den elektriske resistan-sen og følgelig den frembragte varmemengden.

Den elektriske strømmen flyter gjennom lederne 6 og 7 og terminalene 4 og 5 forbundet med ovnen. Ovnen er isolert fra omgivelsen ved hjelp av en beholder 3, i hvilken er tilført inert gass, nemlig argon.

Et andre eksempel på anordningen er vist på fig. 2, hvor samme henvisningstall som på fig. 1 betegner samme detaljer.

I dette tilfellet blir den ønskede temperaturfordelingen langs aksen til bærerøret 1 tilveiebragt via indirekte oppvarming av en sylindrisk ovn 20, fremstilt av grafitt eller volfram. Oppvarmingselementene er høyfrekvente spoler 8, 9 17 styrt av en styreenhet UC. UC tilfører for hver spole en egnet høyfrekvensstrøm for således å tilveiebringe ved røret den ønskede aksiale temperaturfordelIngen. Ovnen 20 kunne også bli utelatt. Da det for å starte reaksjonen mellom SiCl^ og 02 for å tilveiebringe Si02 ved inngangen til bærerøret kan tilveiebringes en virkningsgrad for reaksjonen lik 99$ ved 1400°C dersom den kinetiske reaksjonen utvikles i 0,1 s.

Siden gjennomsnittsreaktanshastigheten v går fra 0,10 til 0,30 m/s kan startsonen, oppvarmet på forhånd ved en konstant temperatur, bli tilveiebrakt med en lengde lik eller over 0,03 m.

For å bestemme temperaturfordelingen langs bærerøraksen er det nødvendig å forutsette noen krav.

Ved IVPO-prosessen går gjennomsnittstrømningshastigheten til reaktantene fra 0,1 til 0,3 m/s og bærerørdiameteren er fra 15 mm til 30 mm, Reynolds tall Re er definert som

hvor v er gjennomsnittstrømningshastigheten, 1 en karakte-ristisk systemparameter og v den kinematiske fluidviskosi-teten, som antar verdier mindre enn 500 siden reaktansstrøm-men er laminær. Siden der ikke er noen turbulens, har partiklene frembrakt av reaksjonen følgelig en radial bevegelse på grunn av årsaker uavhengig av hovedstrømmen.

Partikler har en diameter fra 0,1 til 1 pm, derfor er de små nok til å nå den stabile hastigheten med hensyn til reaktans-strømmen og for å beveges ved samme hastighet.

Ved disse betingelsene kan det bil bekreftet i første tilnærmelse at masseoverføringsprosessen og følgelig kreftene som virker på partiklene underlagt lovene ved diffusive fenomen og spesielt termisk diffusjon eller termoforese.

Siden Schmidts tall v/D >> 1 hvor D er gassdiffusiviteten er diffusjonskomponenteen på grunn av konsentrasjonsgradientene mye mindre enn diffusjonskomponenten på grunn av temperatur-gradientene.

En gang definert at bevegelsen til glassoksyder inne i strømmen til gassbæreren er underlagt lovene ved termoforetisk fenomen, kan parametre og ligninger som bevegelsen er basert på bli funnet.

Det er spesielt nyttig å tilveiebringe forholdet mellom den termoforetiske hastigheten til partiklene mot den indre veggen av røret og den termiske gradienten til det totale systemet sammensatt av gass og bærerøret.

En grunnparameter er Knudsens tall, som er definert som:

hvor X er fri gjennomsnittlig bane for partikler og a er partikkelradius.

Ved IVPO-prosessen har dette tallet verdi mindre eller lik en, det er grunnen hvorfor beregningsmetoder ved kinetisk gassteori kan bli anvendt.

Den termoforetiske hastigheten til partiklene er nærmere bestemt funnet å være proporsjonal med den termiske gradienten og proporsjonaliteten K er avhengig av bæregasstypen, av fysikalske egenskaper til partiklene og av verdier antatt ved Knudsens tall.

Som en regel er den termoforetiske hastigheten V-^ gitt av følgende forhold:

hvor T er gasstemperaturen.

Ved undersøkelse ved reaktorinngangen av et elementærvolum tilveiebrakt ved hjelp av to transversale seksjoner, inneholder denne en elementær massestørrelse i partiklene som skal bli avsatt, som beveges ved strømningshastigheten v.

En del av denne massen tar til og avsettes som følge av den termoforetiske hastigheten, og følgelig temperaturgradienten og dette fortsetter så lenge som intervalltemperaturen forblir lavere i forhold til gassen.

Dersom temperaturen til den indre veggen i reaktoren alltid blir holdt lavere enn gasstemperaturen blir en partikkel-avsetning tilveiebragt langs hele røret. Dette er spesielt nødvendig for å bevirke at temperaturgradienten øker langs røret med en komplementærlov slik at den bevegelige massen reduseres på grunn av den forutgående avsetningen.

Glasspartikler frembrakt kun ved rørinngangen øker pro-gressivt deres radiale hastighet med en slik metode og følgelig kan de lengst inneliggende partiklene samtidig nå veggen, og deres radiale strøm kan således bli konstant langs røret.

Denne betraktningen kan bli syntetisk uttrykt ved følgende ligninger 2) og 3):

hvor

T(r,x) er temperaturen ved en avstand r fra aksen , hvor r er den indre rørradiusen og ved en avstand x fra inngangsenden;

Tj er temperaturen ved inngangsenden til røret;

vx er den aksiale komponenten til hastigheten for glasspartiklene;

L utgjør avstanden fra inngangsenden til røret ved hvilke alle partiklene har blitt avsatt. Nevnte parametre er valgt ved konstruksjonen av anordningen.

Jo mindre L, jo større nødvendig termisk gradient;

v og K er samme parametre som tidligere definert.

Denne ligningen tillater temperaturfordelingen T(r,x) til å bli tilveiebragt som en funksjon ifølge avstanden x, og følgelig tillater den konstruksjon av varmekilder ved anordningene på fig. 1 og 2.

Dessuten gjelder:

n representerer virkningsgraden til hele prosessen som det inverse forholdet mellom massen frembrakt ved oksydasjons-reaksjonen og massen virkelig avsatt som en glasskonstruk-sjon på den indre rørveggen,

- xQ er lengden på bærerøret,

Tø er temperaturen ved rørutgangsenden.

Ut fra ligningen 3) fremgår at for å oppnå en høy virkningsgrad er det nødvendig at r<2> vx/L << 1, siden de andre parametrene er konstanter særegne for IVPO-teknikken og vanskelig å modifisere.

Variasjoner og modifikasjoner av ovenfor nevnte utførelses-former kan naturligvis bli gjort uten å avvike fra oppfinnelsen slik at f.eks. er det mulig ved bruk av andre innretnin-ger for å generere langs bærerøret temperaturfordelingen i samsvar med ligningen 2). Flere brennere kan f.eks. bli anvendt for rett direkte eller indirekte å oppvarme bærerøret ved å justere gasstrømmen for å tilveiebringe ønsket tempera-turfordeling.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av emner for optiske fibre, hvor: glasspartikler fremstilles for å danne emnet ved hjelp av en reaksjon mellom dampfasereaktanter ført inn i et bærerør (1), de produserte partiklene avsettes på den indre overflaten til bærerøret (1) som roterer rundt sin akse,karakterisert ved at reaksjonen blant reaktantene starter, under hele prosessen, ved inngangen til røret (1) ved et område med konstant temperatur Tj, at glasspartiklene avsettes samtidig langs hele røret ved å varme opp hele røret til en temperatur T(r,x) gitt av ligningen: hvor: T(r,x) er temperaturen ved en avstand r fra aksen, hvor r er den indre rørradius og ved en avstand x fra inngangsenden; Tj er temperaturen ved inngangsenden til røret; vx er den aksiale komponenten til hastigheten for glasspartiklene; L utgjør avstanden fra inngangsenden til røret hvor alle partiklene har blitt avsatt, dvs. lengden på avsetnings-området; v er den kinematiske viskositeten til dampstrømmen i røret, K er proporsjonalitetskoeffisienten, for således å tilveiebringe et sjikt av avsatte partikler med konstant tykkelse over avstanden L.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som størrelse anvendes en som er lavere enn 1.