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Verfahren für die Herstellung eines SiO2-Rohlings sowie nach dem Verfahren hergestellter RohlingProcess for the production of a SiO 2 blank and blank produced by the process
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines SiO2- Rohlings, indem durch Abscheiden aufeinanderfolgender Schichten von SiO2- Partikeln auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers mittels mindestens eines Abscheidebrenners der poröse Rohling gebildet und der Träger entfernt wird.The present invention relates to a process for the production of a SiO 2 blank in that the porous blank is formed by depositing successive layers of SiO 2 particles on the lateral surface of a support rotating about its longitudinal axis by means of at least one deposition burner and the support is removed.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Rohling für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser, der einen aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Schichten gebildeten Kernglasbereich aus porösem Quarzglas aufweist, der koaxial von mindestens einem Mantelglasbereich aus porösem Quarzglas umgeben ist.Furthermore, the invention relates to a blank for the production of a preform for an optical fiber, which has a core glass region made of porous quartz glass which is formed from a plurality of successive layers and which is coaxially surrounded by at least one cladding glass region made of porous quartz glass.
Ein Verfahren und ein Rohling der genannten Gattung sind aus der US-PS 4,362,545 bekannt. Für die Herstellung einer Vorform für optische Fasern mittels eines Flammhydrolyse-Brenners werden auf der Zylindermantelfläche eines mit beiden Enden in eine Drehbank eingespannten, um seine Längsachse rotierenden, leicht konischen Doms schichtweise Siθ2-Partikel abgeschieden. Dabei wird durch eine Hin- und Herbewegung des Abscheidebrenners entlang der Längsachse des Doms ein länglicher, poröser Rohling aus Siθ2-Partikeln (Sootkörper) gebildet. Dieses Verfahren wird als OVD-Verfahren (Outside Vapour Deposition) bezeichnet. Als geeignete Materialien für die Herstellung des Doms werden Aluminiumoxid, Quarzglas, Graphit oder Siliziumcarbid empfohlen.A method and a blank of the type mentioned are known from US Pat. No. 4,362,545. For the production of a preform for optical fibers by means of a flame hydrolysis burner, SiO 2 particles are deposited in layers on the cylindrical surface of a cylinder with both ends clamped in a lathe and rotating about its longitudinal axis, slightly conical dome. A reciprocating movement of the deposition burner along the longitudinal axis of the dome forms an elongated, porous blank made of SiO 2 particles (soot body). This process is known as the OVD process (Outside Vapor Deposition). Aluminum oxide, quartz glass, graphite or silicon carbide are recommended as suitable materials for the manufacture of the dome.
Der rohrförmige, poröse Rohling wird als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt. Er kann zum Aufbau von Kern- und Mantelmaterial der Vorform dienen. Aus dem Rohling gemäß der US-PS 4,362,545 wird
durch Sintern und Kollabieren der Innenbohrung ein sogenannter Kernstab hergestellt. Dieser Rohling weist eine Kernglasschicht aus SiO2 auf, die von einer B203- dotierten Siθ2-Schicht umgeben ist.The tubular, porous blank is used as a starting material for the production of a preform for optical fibers. It can be used to build the core and shell material of the preform. The blank according to US Pat. No. 4,362,545 becomes a so-called core rod is produced by sintering and collapsing the inner bore. This blank has a core glass layer made of SiO 2 , which is surrounded by a B 2 0 3 -doped SiO 2 layer.
Zur Weiterverarbeitung wird der Rohling üblicherweise einer Behandlung in einem Chlorierverfahren unterzogen und anschließend in einem Sinterprozess verglast. Dies erfordert ein Kollabieren der Innenbohrung, falls der Rohling den zentralen Kernbereich der späteren Vorform bilden soll. Andernfalls wird der poröse oder verglaste Rohling auf einen weiteren, koaxial in der Innenbohrung angeordneten in Form eines Stabs oder Rohrs vorliegenden Quarzglaszylinder aufgeschmolzen. In jedem Fall muss vorher der Dorn aus der Innenbohrung entfernt werden. Bei einem festsitzenden Dorn kann dies jedoch zu Beschädigungen der Innenwandung des Rohlings führen, die eine aufwendige Nachbearbeitung der Innenbohrung erfordern und hierdurch die Herstellkosten erhöhen.For further processing, the blank is usually subjected to a treatment in a chlorination process and then glazed in a sintering process. This requires the inner bore to collapse if the blank is to form the central core area of the later preform. Otherwise, the porous or glazed blank is melted onto a further quartz glass cylinder arranged coaxially in the inner bore in the form of a rod or tube. In any case, the mandrel must be removed from the inner bore beforehand. In the case of a stuck mandrel, however, this can lead to damage to the inner wall of the blank, which requires complex reworking of the inner bore and thereby increase the manufacturing costs.
Zur Lösung dieses Problem wurden bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, die das Entfernen des Dorns erleichtern sollen. Beispielsweise die Verwendung eines Graphit-Dorns (FR-A 2,178,177) oder die Vorab-Beschichtung eines Dorns mit Graphitpulver (US-PS 4,233,062) oder mit einer sogenannten Stratum-Schicht aus einem mit Phosphor dotierten Glas geringer Viskosität (US-PS 4,298,365).Various measures have been proposed to solve this problem, which are intended to facilitate the removal of the mandrel. For example, the use of a graphite mandrel (FR-A 2,178,177) or the preliminary coating of a mandrel with graphite powder (US Pat. No. 4,233,062) or with a so-called stratum layer made of a phosphorus-doped low viscosity glass (US Pat. No. 4,298,365).
Diese Maßnahmen sind aber mit anderen Nachteilen verbunden, beispielsweise führt die Verwendung von Graphit zu Veränderungen der Redox-Bedingungen im Ofenraum und zu einem Abbrand unter oxidierenden Bedingungen, und die Verwendung einer Stratum-Schicht kann Verunreinigungen im Rohling hinterlassen.However, these measures have other disadvantages, for example the use of graphite leads to changes in the redox conditions in the furnace space and to burning under oxidizing conditions, and the use of a stratum layer can leave impurities in the blank.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren anzugeben, das die Herstellung eines Siθ2-Rohlings mit möglichst defektfreier Innenwandung ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rohling für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser, bereitzustellen, der eine Innenbohrung mit möglichst defektfreier Innenwandung aufweist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine die erste Schicht umfassende Hartschichtenfolge abgeschieden wird, die eine höhere Dichte als auf die Hartschichtenfolge folgende Schichten aufweist.The present invention is therefore based on the object of specifying a simple and inexpensive method which enables the production of a SiO 2 blank with an inner wall which is as defect-free as possible. Furthermore, the invention is based on the object of providing a blank for the production of a preform for an optical fiber which has an inner bore with an inner wall which is as defect-free as possible. With regard to the method, this object is achieved, based on the method mentioned at the outset, in that a hard layer sequence comprising the first layer is deposited, which has a higher density than layers following the hard layer sequence.
Die höhere Dichte der Hartschichtenfolge ergibt sich im einfachsten Fall durch eine höhere Oberflächentemperatur während der Abscheidung der ersten Schichten von SiO2-Partikeln auf dem Träger. Die höhere Dichte kann auch durch nachträgliches Erhitzen einzelner Schichten der Hartschichtenfolge oder der Hartschichtenfolge insgesamt eingestellt werden. In jedem Fall werden mehrere vergleichsweise härtere Schichten erzeugt, die hier als „Hartschichtenfolge" bezeichnet werden. Die Hartschichtenfolge umfasst die erste Schicht und mindestens eine weitere Schicht.In the simplest case, the higher density of the hard layer sequence results from a higher surface temperature during the deposition of the first layers of SiO 2 particles on the carrier. The higher density can also be set by heating individual layers of the hard layer sequence or the hard layer sequence as a whole. In any case, several comparatively harder layers are produced, which are referred to here as “hard layer sequence”. The hard layer sequence comprises the first layer and at least one further layer.
Die Hartschichtenfolge zeichnet sich dadurch aus, dass sie mechanisch wesentlich widerstandsfähiger ist als weichere Siθ2-Sootschichten. Allerdings wäre damit einhergehend auch eine vergleichsweise festere mechanische Verbindung der Hartschichtenfolge mit dem Träger, und infolge davon eine stärkere Beschädigung der Innenwandung beim Entfernen des Trägers zu befürchten. Es hat sich jedoch überraschend gezeigt, dass dieser Effekt nicht eintritt, wenn die Hartschichtenfolge mindestens die erste Schicht und eine weitere Schicht umfasst, und wenn auf die Hartschichtenfolge weichere Siθ2-Sootschichten folgen. In diesem Fall überwiegt der Effekt der höheren mechanischen Widerstandsfähigkeit der Hartschichtenfolge, so dass Verletzungen der Innenwandung des Rohlings beim Herausziehen des Trägers vermieden werden; eine aufwendige Nachbearbeitung der Innenwandung ist daher nicht erforderlich.The hard layer sequence is characterized by the fact that it is mechanically much more resistant than softer SiO 2 soot layers. However, this would also be associated with a comparatively stronger mechanical connection of the hard layer sequence with the carrier and, as a result, greater damage to the inner wall when removing the carrier. However, it has surprisingly been found that this effect does not occur if the hard layer sequence comprises at least the first layer and a further layer, and if softer SiO 2 soot layers follow the hard layer sequence. In this case, the effect of the higher mechanical resistance of the hard layer sequence predominates, so that injuries to the inner wall of the blank when pulling out the carrier are avoided; extensive post-processing of the inner wall is therefore not necessary.
Der rohrförmige, poröse Rohling kann aus homogenem Material, wie dotiertem oder undotiertem SiO2 bestehen; er kann auch Bereiche unterschiedlicher Dotierungen aufweisen. Er wird als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt, wobei er zum Aufbau von Kern- und Mantelmaterial der Vorform dienen kann. Der Rohling wird hierbei in Form eines porösen oder verglasten Rohres oder in Form eines Stabes eingesetzt.The tubular, porous blank can consist of homogeneous material, such as doped or undoped SiO 2 ; it can also have areas of different doping. It is used as a starting material for the production of a preform for optical fibers, and it can be used to build up the core and cladding material of the preform. The blank is used in the form of a porous or glazed tube or in the form of a rod.
Einerseits muss die Gesamtstärke der Hartschichtenfolge so groß sein, das die er-
forderliche mechanische Widerstandsfähigkeit erzielt wird. Andererseits soll eine möglichst offenporige Struktur des porösen Rohlings erhalten bleiben, um einen weitgehend ungehinderten Zutritt von Behandlungsmedien bei nachfolgenden Behandlungsschritten zu gewährleisten. Im Hinblick hierauf hat es sich als günstig erwiesen, wenn als Hartschichtenfolge lediglich die erste bis maximal zehnte Schicht, vorzugsweise, die erste bis maximal fünfte Schicht abgeschieden werden.On the one hand, the total thickness of the hard layer sequence must be so great that the required mechanical resistance is achieved. On the other hand, a structure of the porous blank that is as open-pored as possible is to be maintained in order to ensure largely unimpeded access to treatment media in subsequent treatment steps. In view of this, it has proven to be advantageous if only the first to at most tenth layer, preferably the first to at most fifth layer, are deposited as the hard layer sequence.
Vorteilhafterweise wird dabei eine Hartschichtenfolge mit einer Gesamtstärke von maximal 500 μm, vorzugsweise maximal 150 μm erzeugt.A hard layer sequence with a total thickness of at most 500 μm, preferably at most 150 μm, is advantageously produced.
Es hat sich als günstig herausgestellt, eine Hartschichtenfolge mit einer Dichte im Bereich von 20 % bis 35 % der Dichte von Quarzglas zu erzeugen. Diese Dichte wird zweckmäßigerweise durch die Oberflächentemperatur beim Abscheiden der Hartschichtenfolge eingestellt. Die genannte Untergrenze für den bevorzugten Dichtebereich wird wiederum durch die angestrebte mechanische Widerstandsfähigkeit der Hartschichtenfolge vorgegeben, während sich die Obergrenze aufgrund der gewünschten Rest-Porosität in diesem Bereich ergibt.It has proven to be advantageous to generate a hard layer sequence with a density in the range from 20% to 35% of the density of quartz glass. This density is expediently set by the surface temperature when the hard layer sequence is deposited. The lower limit mentioned for the preferred density range is in turn predetermined by the desired mechanical resistance of the hard layer sequence, while the upper limit results from the desired residual porosity in this range.
Eine besonders einfache Verfahrensweise zur Herstellung der Hartschichtenfolge ergibt sich dadurch, dass bei deren Abscheidung eine vergleichsweise höhere Flammentemperatur des Abscheidebrenners eingestellt wird. Demnach wird die Oberflächentemperatur nach dem Abscheiden der Hartschichtenfolge verringert, indem die Flammentemperatur des mindestens einen Abscheidebrenners gesenkt wird. Für die Absenkung der Flammentemperatur gibt es wiederum mehrere geeignete Verfahrensvarianten, die jede für sich oder kombiniert eingesetzt werden können. Als Oberflächentemperatur wird die Temperatur auf der Rohlingoberfläche im Auftreffpunkt der Flamme verstanden.A particularly simple procedure for producing the hard layer sequence results from the fact that a comparatively higher flame temperature of the deposition burner is set during its deposition. Accordingly, the surface temperature is reduced after the hard layer sequence has been deposited by lowering the flame temperature of the at least one deposition burner. There are, in turn, several suitable process variants for lowering the flame temperature, each of which can be used individually or in combination. The surface temperature is the temperature on the blank surface at the point of impact of the flame.
So wird die Flammentemperatur beispielsweise gesenkt, indem die Zufuhrrate von Brennergasen zu dem mindestens einen Abscheidebrenner relativ zu den Zufuhrraten von anderen dem Abscheidebrenner zugeführten Gasen verringert wird. Unter den Brennergasen werden diejenigen Gase verstanden, deren exotherme Reaktion miteinander die Brennerflamme im wesentlichen speist. Bei einem Knallgasbrenner handelt es sich beispielsweise um die Brennergase Sauerstoff und Wasserstoff. Eine
Senkung der Flammentemperatur wird dabei entweder durch eine Verringerung der Zufuhrrate von Sauerstoff und/oder Wasserstoff zu dem Abscheidebrenner oder durch eine Zufuhr oder eine Erhöhung der Zufuhrrate anderer Gase, wie beispielsweise von Inertgas oder von Ausgangsstoffen für die Bildung der Si02-Partikel erreicht.For example, the flame temperature is reduced by reducing the feed rate of burner gases to the at least one deposition burner relative to the feed rates of other gases supplied to the deposition burner. The burner gases are understood to be those gases whose exothermic reaction with one another essentially feeds the burner flame. A detonating gas burner is, for example, the burner gases oxygen and hydrogen. A Lowering the flame temperature is achieved either by reducing the feed rate of oxygen and / or hydrogen to the deposition burner or by feeding or increasing the feed rate of other gases, such as, for example, inert gas or starting materials for the formation of the SiO 2 particles.
Alternativ oder ergänzend dazu kann die Oberflächentemperatur nach dem Abscheiden der Hartschichtenfolge auch vorteilhaft dadurch verringert werden, dass der Abstand zwischen dem mindestens einen Abscheidebrenner und der Oberfläche des sich bildenden Rohlings vergrößert wird. Der Abstand kann vergrößert oder verkleinert werden. Eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Abstandes kann eine Senkung der Oberflächentemperatur bewirken, wenn die Brennerflamme im Auftreffpunkt dadurch kälter wird. Dies kann insbesondere bei sogenannten fokussierenden Abscheidebrennern der Fall sein. Der Abstand wird dabei gemessen zwischen der Mündung des Abscheidebrenners und der Rohlingoberfläche.Alternatively or additionally, the surface temperature after the hard layer sequence has been deposited can also advantageously be reduced by increasing the distance between the at least one deposition burner and the surface of the blank being formed. The distance can be increased or decreased. Reducing or increasing the distance can lower the surface temperature if the burner flame becomes colder at the point of impact. This can be the case in particular with so-called focusing deposition burners. The distance is measured between the mouth of the deposition burner and the blank surface.
Alternativ oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Möglichkeiten hat es sich auch bewährt, die Oberflächentemperatur nach dem Abscheiden der Hartschichtenfolge dadurch zu verringern, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Abscheidebrenner und der Oberfläche des sich bildenden Rohlings vergrößert wird.As an alternative or in addition to the possibilities described above, it has also proven useful to reduce the surface temperature after the hard layer sequence has been deposited by increasing the speed of the relative movement between the at least one deposition burner and the surface of the blank being formed.
Hinsichtlich des Rohlings für die Herstellung einer Vorform für eine optische Faser wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Rohling erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kernglasbereich eine die innerste Schicht umfassende innere Kernglasschicht und eine äußere Kernglasschicht aufweist, wobei die innere Kernglasschicht gegenüber der äußeren Kernglasschicht eine höhere Dichte aufweist.With regard to the blank for the production of a preform for an optical fiber, the above-mentioned object is achieved according to the invention starting from the blank mentioned at the outset in that the core glass region has an inner core glass layer comprising the innermost layer and an outer core glass layer, the inner core glass layer being opposite the outer one Core glass layer has a higher density.
Der erfindungsgemäße Rohling wird zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt, wobei der Kernglasbereich nach dem Kollabieren der Innenbohrung des Rohlings den zentralen Kern der späteren Vorform bzw. der optischen Faser bildet. Im Kern wird der Hauptanteil des Lichts geführt. Vor dem Kollabieren des Rohlings bzw. des daraus durch Sintern erhaltenen Quarzglasrohrs muss daher eine ab-
solut defektfreie Innenbohrung vorliegen. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Rohling dadurch erreicht, dass der Kernglasbereich eine innere Kernglasschicht aufweist, die aus einer die innerste Siθ2-Sootschicht umfassenden Hartschichtenfolge besteht. Die Hartschichtenfolge wird dadurch gebildet, dass die innerste Siθ2- Sootschicht und mindestens eine weitere Sootschicht eine höhere Dichte als nach außen auf die Hartschichtenfolge folgende Schichten aufweisen, so dass gegenüber den weiter außenliegenden Schichten ein Bereich höherer Dichte entsteht. Die höhere Dichte geht mit einer höheren Härte und Widerstandsfähigkeit einher, so dass die Wandung der Innenbohrung des Rohlings beim Herausziehen des Dorns nicht beeinträchtigt wird und aufwendige Nachbearbeitungen der Innenwandung vermieden werden. Auf die obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren wird hingewiesen.The blank according to the invention is used to produce a preform for optical fibers, the core glass area forming the central core of the later preform or the optical fiber after the inner bore of the blank has collapsed. The main part of the light is guided. Before the blank or the quartz glass tube obtained from it by sintering collapses, an there are absolutely defect-free inner holes. This is achieved in the blank according to the invention in that the core glass region has an inner core glass layer which consists of a hard layer sequence comprising the innermost SiO 2 soot layer. The hard layer sequence is formed in that the innermost SiO 2 soot layer and at least one further soot layer have a higher density than layers following the hard layer sequence outwards, so that an area of higher density is produced compared to the layers located further out. The higher density goes hand in hand with a higher hardness and resistance, so that the wall of the inner bore of the blank is not impaired when the mandrel is pulled out and expensive reworking of the inner wall is avoided. Reference is made to the above explanations regarding the method according to the invention.
Der rohrförmige, poröse Rohling kann aus homogenem Material, wie dotiertem oder undotiertem SiO2 bestehen; er kann auch Bereiche unterschiedlicher Dotierungen aufweisen. Er wird als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Vorform für optische Fasern eingesetzt, wobei er zum Aufbau von Kern- und Mantelmaterial der Vorform dienen kann. Der Rohling wird hierbei in Form eines porösen oder verglasten Rohres oder in Form eines Stabes eingesetzt.The tubular, porous blank can consist of homogeneous material, such as doped or undoped SiO 2 ; it can also have areas of different doping. It is used as a starting material for the production of a preform for optical fibers, and it can be used to build up the core and cladding material of the preform. The blank is used in the form of a porous or glazed tube or in the form of a rod.
Einerseits muss die Gesamtstärke der inneren Kernglasschicht so groß sein, das die erforderliche mechanische Widerstandsfähigkeit erzielt wird. Andererseits soll eine möglichst offenporige Struktur des porösen Rohlings erhalten bleiben, um einen weitgehend ungehinderten Zutritt von Behandlungsmedien bei nachfolgenden Behandlungsschritten zu gewährleisten. Im Hinblick hierauf hat es sich als günstig erwiesen, wenn die innere Kernglasschicht lediglich die erste bis maximal zehnte Schicht, vorzugsweise, die erste bis maximal fünfte Schicht umfasst.On the one hand, the total thickness of the inner core glass layer must be so great that the required mechanical resistance is achieved. On the other hand, a structure of the porous blank that is as open-pored as possible is to be maintained in order to ensure largely unimpeded access to treatment media in subsequent treatment steps. In this regard, it has proven to be advantageous if the inner core glass layer comprises only the first to at most tenth layer, preferably the first to at most fifth layer.
Es wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohlings bevorzugt, bei der die innere Kernglasschicht eine Gesamtstärke von maximal 500 μm; vorzugsweise von maximal 150 μm aufweist.An embodiment of the blank according to the invention is preferred in which the inner core glass layer has a total thickness of at most 500 μm; preferably has a maximum of 150 microns.
Besonders bewährt hat sich ein Rohling mit einer Hartschichtenfolge, die eine Dichte im Bereich von 20 % bis 35 % der Dichte von Quarzglas aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematische Darstellung im einzelnen:A blank with a hard layer sequence that has a density in the range from 20% to 35% of the density of quartz glass has proven particularly useful. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and a drawing. In the drawing, a schematic representation shows in detail:
Figur 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohlings in radialem Schnitt,FIG. 1 shows an embodiment of a blank according to the invention in a radial section,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Vorform unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Rohlings anhand eines Fließdiagramms der einzelnen Verfahrensschritte, undFIG. 2 shows an exemplary embodiment for producing a preform using a blank according to the invention on the basis of a flow diagram of the individual method steps, and
Figur 3 ausschnittsweise einen typischen Dichteverlauf über den Radius bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohling.FIG. 3 shows a section of a typical density curve over the radius in the case of a blank produced by the method according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Rohling 1 in Form eines rohrförmigen, porösen Siθ2-Sootkörpers. Der Rohling 1 weist einen Kernglasbereich auf, dem insgesamt die Bezugsziffer 2 zugeordnet ist und der koaxial von einem Mantelglasbereich 3 umgeben ist. Der Kernglasbereich 2 besteht aus SiO2-Soot, der homogen mit 5 Gew.-% Germaniumdioxid dotiert ist, der Mantelglasbereich 3 besteht aus undotiertem SiO2-Soot. Der Durchmesser der Innenbohrung 4 beträgt 5 mm; der Außendurchmesser des Kernglasbereichs 2 liegt bei 50 mm, und der des Mantelglasbereichs 3 bei 100 mm.Figure 1 shows a blank 1 in the form of a tubular, porous SiO 2 soot body. The blank 1 has a core glass area, to which the overall reference number 2 is assigned and which is coaxially surrounded by a cladding glass area 3. The core glass area 2 consists of SiO 2 soot, which is homogeneously doped with 5% by weight germanium dioxide, the cladding glass area 3 consists of undoped SiO 2 soot. The diameter of the inner bore 4 is 5 mm; the outer diameter of the core glass area 2 is 50 mm and that of the cladding glass area 3 is 100 mm.
Der Kernglasbereich 2 weist eine dünne, unmittelbar an die Innenbohrung 4 angrenzende, innere Kernglasschicht 5 auf, die von einer dickeren, äußeren Kernglasschicht 6 umgeben ist. Die Dicke der inneren Kernglasschicht 5 beträgt lediglich 0,15 mm; in Figur 1 ist die Dicke aus Gründen der Deutlichkeit vergrößert dargestellt. Der übrige Kernglasbereich 2 wird durch die äußere Kernglasschicht 6 gebildet.The core glass region 2 has a thin inner core glass layer 5 directly adjacent to the inner bore 4, which is surrounded by a thicker, outer core glass layer 6. The thickness of the inner core glass layer 5 is only 0.15 mm; in Figure 1, the thickness is shown enlarged for clarity. The remaining core glass area 2 is formed by the outer core glass layer 6.
Innere Kernglasschicht 5 und äußere Kernglasschicht 6 weisen nominal die gleiche chemische Zusammensetzung auf. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Schichten besteht darin, dass die innere Kernglasschicht 5 eine Dichte von 28 % der Dichte von Quarzglas aufweist, während die Dichte der äußeren Kernglasschicht 6 lediglich 20 % der Dichte von Quarzglas beträgt. Die Dichte der einzelnen Kernglasschichten 5,6 wird mittels Quecksilberporosimetrie ermittelt.
Nachfolgend wird anhand von Figur 2 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus synthetischem Quarzglas und dessen Verwendung zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern beispielhaft erläutert.Inner core glass layer 5 and outer core glass layer 6 nominally have the same chemical composition. The main difference between these two layers is that the inner core glass layer 5 has a density of 28% of the density of quartz glass, while the density of the outer core glass layer 6 is only 20% of the density of quartz glass. The density of the individual core glass layers 5, 6 is determined by means of mercury porosimetry. The method according to the invention for producing a tube made of synthetic quartz glass and its use for producing a preform for optical fibers is explained by way of example below with reference to FIG. 2.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein sogenannter Kernstab mittels eines Soot-Außenabscheideverfahrens (OVD-Verfahren) durch Flammenhydrolyse von SiCI und/oder GeCI gebildet, wobei entsprechende Oxidpartikel auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Dorns abgeschieden werden. Als Dorn wird ein Aluminiumoxid-Rohr mit einem Durchmesser von 5 mm eingesetzt. Mittels eines Knallgas-Abscheidebrenners wird zunächst die innere Kernglasschicht 5 abgeschieden, indem dem Abscheidebrenner außer SiCI4 auch GeCI4 zugeführt wird, um die oben angegebene Dotierstoff-Konzentration im Kernglasbereich 2 zu erhalten. Der Abscheidebrenner wird dabei in einem vorgegebenen Bewegungszyklus entlang der Domlängsachse hin- und herbewegt, wobei eine Siθ2-Schicht nach der anderen auf dem Dorn bzw. auf der Zylindermantelfläche des sich bildenden Rohlings erzeugt wird.To carry out the method according to the invention, a so-called core rod is first formed by means of a soot outer deposition method (OVD method) by flame hydrolysis of SiCI and / or GeCI, with corresponding oxide particles being deposited on the outer surface of a mandrel rotating about its longitudinal axis. An aluminum oxide tube with a diameter of 5 mm is used as the mandrel. The inner core glass layer 5 is first deposited by means of a detonating gas deposition burner, in addition to SiCI 4 , GeCI 4 is also fed to the deposition burner in order to obtain the above-mentioned dopant concentration in the core glass region 2. The deposition burner is moved back and forth along the dome longitudinal axis in a predetermined movement cycle, one layer of SiO 2 being produced one after the other on the mandrel or on the cylindrical surface of the blank being formed.
Ein wesentlicher Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in der inneren Kernglasschicht 5 eine höhere Dichte eingestellt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass während der Abscheidung der inneren Kernglasschicht 5 eine höhere Oberflächentemperatur im Bereich des Auftreffpunktes des Abscheidebrenners eingestellt wird, als beim Abscheiden der äußeren Kernglasschicht 6. Die Oberflächentemperatur wird auf der Rohlingoberfläche im Auftreffpunkt der Flamme des Abscheidebrenners gemessen. Hierzu wird eine handelsübliche Thermokamera eingesetzt.An essential method step of the method according to the invention is that a higher density is set in the inner core glass layer 5. This is achieved in that during the deposition of the inner core glass layer 5 a higher surface temperature is set in the area of the point of impact of the deposition burner than when the outer core glass layer 6 is deposited. The surface temperature is measured on the blank surface at the point of impact of the flame of the deposition burner. A commercially available thermal camera is used for this.
Die innere Kernglasschicht 5 wird im Ausführungsbeispiel von den drei ersten Siθ2- Schichten gebildet. Beim Abscheiden dieser Schichten wird eine Oberflächentemperatur eingestellt, die eine spezifische Dichte der inneren Kernglasschicht 5 von 28 % der Dichte von Quarzglas bewirkt. Nach dem Abscheiden der inneren Kernglasschicht 5 wird die äußere Kernglasschicht 6 abgeschieden, wobei gleichzeitig die Oberflächentemperatur gesenkt wird. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten.In the exemplary embodiment, the inner core glass layer 5 is formed by the three first SiO 2 layers. When these layers are deposited, a surface temperature is set which brings about a specific density of the inner core glass layer 5 of 28% of the density of quartz glass. After the inner core glass layer 5 has been deposited, the outer core glass layer 6 is deposited, the surface temperature being reduced at the same time. There are several ways to do this.
Zum einen wird die Oberflächentemperatur nach dem Abscheiden der Kernglas-
schicht 5 verringert, indem die Flammentemperatur des Abscheidebrenners gesenkt wird. Dies wird erreicht, indem die Zufuhrraten der Brenngase Wasserstoff und Sauerstoff zum Abscheidebrenner um 15 % verringert werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Oberflächentemperatur nach dem Abscheiden der inneren Kernglasschicht 5 dadurch verringert, dass der Abstand zwischen dem Abscheidebrenner und der Oberfläche des sich bildenden Rohlings von 130 mm auf 150 mm vergrößert wird.On the one hand, the surface temperature after the core glass Layer 5 is reduced by lowering the flame temperature of the deposition burner. This is achieved by reducing the feed rates of the fuel gases hydrogen and oxygen to the separation burner by 15%. In a further exemplary embodiment, the surface temperature after the deposition of the inner core glass layer 5 is reduced in that the distance between the deposition burner and the surface of the blank being formed is increased from 130 mm to 150 mm.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Oberflächentemperatur nach dem Abscheiden der inneren Kernglasschicht 5 dadurch verringert, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Abscheidebrenner und der Oberfläche des sich bildenden Rohlings um 100 % vergrößert wird, indem die Vorschubgeschwindigkeit des Abscheidebrenners entlang des Dorns entsprechend erhöht wird.In a further exemplary embodiment, the surface temperature after the deposition of the inner core glass layer 5 is reduced in that the speed of the relative movement between the deposition burner and the surface of the blank being formed is increased by 100% by the feed speed of the deposition burner along the mandrel being increased accordingly.
Nach dem Abscheiden der äußeren Kernglasschicht 6 wird die Zufuhr von GeCI4 gestoppt und auf dem Kernglasbereich 2 nach dem gleichen Verfahren schichtweise der Mantelglasbereich 3 abgeschieden.After the outer core glass layer 6 has been deposited, the supply of GeCI 4 is stopped and the cladding glass region 3 is deposited in layers on the core glass region 2 using the same method.
Anschließend wird der Dorn entfernt. Aufgrund der hohen Festigkeit der inneren Kernglasschicht 5 gelingt dies ohne die Wandung der Innenbohrung zu verletzen. Das so erhaltene, poröse Quarzglasrohr wird in chlorhaltiger Atmosphäre getrocknet und anschließend gesintert. Zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern wird daraus ein sogenannter Kernstab gebildet, indem die Innenbohrung kollabiert wird. Auf diese Wiese wird ein Kernstab mit einem Durchmesser von 14 mm erhalten.The mandrel is then removed. Due to the high strength of the inner core glass layer 5, this can be done without damaging the wall of the inner bore. The porous quartz glass tube thus obtained is dried in a chlorine-containing atmosphere and then sintered. To produce a preform for optical fibers, a so-called core rod is formed from it by collapsing the inner bore. In this way, a core rod with a diameter of 14 mm is obtained.
Parallel dazu wird ein Überfangrohr aus undotiertem Quarzglas (ein sogenanntes „Jacketrohr") ebenfalls durch Flammenhydrolyse von SiCI4 unter Bildung von Siθ2- Partikeln und axialer Abscheidung der SiO2-Partikel auf einem rotierenden Dorn hergestellt. Da das Jacketrohr zur Lichtführung in der aus der Vorform erhaltenen Faser nicht nennenswert beiträgt, sind die Anforderungen an dessen Reinheit und Homogenität vergleichsweise gering. Das Jacketrohr ist daher kostengünstig unter gleichzeitigem Einsatz mehrerer Abscheidebrenner herstellbar. Vor dem Sintern wird das aus undotiertem, porösen Quarzglas bestehende Jacketrohr in chlorhaltiger Atmosphäre getrocknet. Nach dem Sintern hat das Jacketrohr einen Innendurchmesser
von etwa 15 mm und einen Außendurchmesser von etwa 60 mm.At the same time, a flashing tube made of undoped quartz glass (a so-called "jacket tube") is also produced by flame hydrolysis of SiCI 4 with the formation of SiO 2 particles and axial deposition of the SiO 2 particles on a rotating mandrel The fiber obtained from the preform does not contribute significantly, the requirements for its purity and homogeneity are comparatively low. The jacket tube can therefore be produced inexpensively using several separating burners. Before sintering, the undoped, porous quartz glass is dried in a chlorine-containing atmosphere The jacket tube has an inner diameter during sintering of about 15 mm and an outer diameter of about 60 mm.
Im Anschluß daran wird das Jacketrohr auf den Kernstab aufgeschmolzen, indem die Anordnung in einem elektrisch beheizten Ofen auf eine Temperatur von 2150 °C (Ofentemperatur) erhitzt wird. Das Schließen des Ringspalts erfolgt problemlos durch zonenweises Erhitzen der vertikal orientierten Anordnung.The jacket tube is then melted onto the core rod by heating the arrangement in an electrically heated furnace to a temperature of 2150 ° C. (furnace temperature). The ring gap is closed without problems by zone-by-zone heating of the vertically oriented arrangement.
Die so hergestellte Vorform weist danach einen Außendurchmesser von 100 mm auf. Die daraus gezogene Faser zeigt bei einer Wellenlänge von 1385 nm eine Dämpfung von 0,6 dB/km.The preform produced in this way then has an outer diameter of 100 mm. The fiber drawn from it shows an attenuation of 0.6 dB / km at a wavelength of 1385 nm.
Figur 3 zeigt ausschnittsweise einen typischen Dichteverlauf über dem Radius bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, porösen SiO2-Rohling. Auf der y-Achse des Diagramms ist die Dichte „δ" und auf der x-Achse der Radius „r" aufgetragen. Unmittelbar angrenzend an die Innenbohrung 31 ist ein Bereich höherer Dichte vorgesehen, der durch die innere Kernglasschicht 32 gebildet wird. An die innere Kernglasschicht 32 schließt sich nach außen die äußere Kernglasschicht 33 und an diese der Mantelbereich 34 an. Äußere Kernglasschicht 33 und Mantelbereich 34 unterscheiden sich bei diesem Ausführungsbeispiel in ihrer Dichte nicht. Die Dichte der äußeren Kernglasschicht 33 liegt deutlich unterhalb der Dichte in der inneren Kernglasschicht 32. Die Grenzfläche zwischen innerer Kernglasschicht 32 und äußerer Kernglasschicht 33 ist durch die punktierte Linie 35 angedeutet. Die Grenzfläche wird als diejenige parallel zur Längsachse verlaufende Zylindermantelfläche definiert, bei der der Dichteunterschied zwischen innerer Kernglasschicht 32 und äußerer Kernglasschicht 33 die Hälfte seines Maximalwerts beträgt.FIG. 3 shows a section of a typical density curve over the radius in the case of a porous SiO 2 blank produced by the method according to the invention. The density "δ" is plotted on the y-axis of the diagram and the radius "r" on the x-axis. Immediately adjacent to the inner bore 31, a region of higher density is provided, which is formed by the inner core glass layer 32. The outer core glass layer 33 adjoins the inner core glass layer 32 on the outside and the cladding region 34 adjoins this. The outer core glass layer 33 and the cladding region 34 do not differ in their density in this exemplary embodiment. The density of the outer core glass layer 33 is clearly below the density in the inner core glass layer 32. The interface between the inner core glass layer 32 and the outer core glass layer 33 is indicated by the dotted line 35. The boundary surface is defined as the cylinder jacket surface running parallel to the longitudinal axis, at which the difference in density between the inner core glass layer 32 and the outer core glass layer 33 is half of its maximum value.
Näheres zu den im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung relevanten Verfahren und Vorrichtungen für die Herstellung von synthetischem Quarzglas für optische Fasern durch CVD-Abscheidung sind aus folgenden Druckschriften zu entnehmen: In der US-A 5,788,730 wird ein Verfahren und ein Abscheidebrenner aus Quarzglas mit einer Mitteldüse und mindestens drei Ringspaltdüsen für die Herstellung eines Sσotkörpers mit homogener radialer Dichteverteilung beschrieben; in der DE-A1 197 25 955 wird der Einsatz eines Brenners für eine Einspeisung von flüssigem Glasausgangsmaterial gelehrt; und in der DE-A1 195 01 733 wird eine Vorrich-
tung für die gleichzeitige und gleichmäßige Gasversorgung einer Vielzahl von Abscheidebrennern unter Einsatz eines Druckausgleichsgefäßes offenbart. Zur Steigerung der Effizienz der Soot-Abscheidung wird in der DE-A1 196 29 170 vorgeschlagen, ein elektrostatisches Feld zwischen Abscheidebrenner und Sootkörper anzulegen; in der DE-A1 196 28 958 und in der DE-A1 198 27 945 werden Maßnahmen für die Homogenisierung der Soot-Abscheidung bei Einsatz eines oszillierend bewegten Brenner-Arrays angegeben. Aus der DE-A1 197 51 919 und der DE-A1 196 49 935 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Handhabung des Sootkörpers während und nach dem Abscheideprozess bekannt; und aus US-A 5,665,132, US-A 5,738,702 und DE-A1 197 36 949 ergeben sich Maßnahmen für die Halterung des Sootkörpers beim Verglasen. Die Dotierung von Quarzglas mit Fluor und Bor wird in der EP-A 582 070 beschrieben; in der US-A 5,790,736 wird eine Lehre zur Anpassung der Viskosität von Kern- und Mantelmaterial einer Faser gegeben; und in der DE 198 52 704 geht es um ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser unter Einsatz dotierter Substratrohre nach dem MCVD-Verfahren. Die Nachbearbeitung eines verglasten Quarzglas-Hohlzylinders unter Einsatz eines speziellen Bohrers ist in der US-A 5,643,069 beschrieben. Die US-A 5,785,729 gibt eine Lehre zur Herstellung großvo- lumiger Vorformen unter Einsatz der Stab-in-Rohr-Technik; und die DE-A1 199 15 509 beschreibt einen zur Durchführung dieser Technik geeigneten Abzug. Gegenstand von EP-A1 767 149 und DE-A1 196 29 169 ist die Herstellung maßgenauer Quarzglas-Rohre durch ein Vertikalziehverfahren.
Further information on the processes and devices relevant for the production of synthetic quartz glass for optical fibers by CVD deposition can be found in the following publications: US Pat. No. 5,788,730 describes a process and a deposition burner made of quartz glass with a central nozzle and described at least three annular gap nozzles for the production of a sot body with a homogeneous radial density distribution; DE-A1 197 25 955 teaches the use of a burner for feeding liquid glass starting material; and in DE-A1 195 01 733 a device is device for the simultaneous and uniform gas supply to a large number of separating burners using a pressure compensation vessel. In order to increase the efficiency of the soot deposition, DE-A1 196 29 170 proposes to create an electrostatic field between the deposition burner and the soot body; DE-A1 196 28 958 and DE-A1 198 27 945 specify measures for the homogenization of the soot separation when using an oscillating burner array. Methods and devices for handling the soot body during and after the deposition process are known from DE-A1 197 51 919 and DE-A1 196 49 935; and US Pat. No. 5,665,132, US Pat. No. 5,738,702 and DE-A1 197 36 949 result in measures for holding the soot body during glazing. The doping of quartz glass with fluorine and boron is described in EP-A 582 070; in US-A 5,790,736 a teaching is given to adjust the viscosity of the core and sheath material of a fiber; and DE 198 52 704 relates to a method for producing an optical fiber using doped substrate tubes according to the MCVD method. The post-processing of a glazed quartz glass hollow cylinder using a special drill is described in US-A 5,643,069. US Pat. No. 5,785,729 teaches the manufacture of large-volume preforms using the rod-in-tube technique; and DE-A1 199 15 509 describes a fume cupboard suitable for carrying out this technique. The subject of EP-A1 767 149 and DE-A1 196 29 169 is the manufacture of dimensionally accurate quartz glass tubes by a vertical drawing process.