WO2014023799A1 - Verfahren zur herstellung einer optischen vorform mit einer pod-mantelglasschicht - Google Patents

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WO2014023799A1
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pod
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substrate body
fluorine
layer
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Gerhard Schoetz
Karsten Bräuer
Richard Schmidt
Peter Bauer
Andreas Schultheis
Paul BÖDIGER
Andreas Langner
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Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/0128—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from pulverulent glass
    • C03B37/01291—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from pulverulent glass by progressive melting, e.g. melting glass powder during delivery to and adhering the so-formed melt to a target or preform, e.g. the Plasma Oxidation Deposition [POD] process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2201/00—Type of glass produced
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    • C03B2201/08—Doped silica-based glasses doped with boron or fluorine or other refractive index decreasing dopant
    • C03B2201/12—Doped silica-based glasses doped with boron or fluorine or other refractive index decreasing dopant doped with fluorine
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    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2203/00—Fibre product details, e.g. structure, shape
    • C03B2203/10—Internal structure or shape details
    • C03B2203/12—Non-circular or non-elliptical cross-section, e.g. planar core

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an optical preform with a POD cladding glass layer of fluorine-doped quartz glass by SiO 2 particles formed in the presence of fluorine by means of a plasma torch, this deposited on the cylinder surface of a cylindrical and a longitudinal axis having substrate body and glazed directly be seen, wherein the substrate body viewed in the direction of its longitudinal axis has a non-circular cross-section, in which extends between bases of an enveloping circle at least a surface portion without curvature or with a different curvature than the outer circle curvature.
  • the optical preform is drawn directly to an optical fiber or serves as a rod or tubular precursor for fiber production. In the radial direction, it shows a non-homogeneous course of the refractive index, which is determined by the fluorine doping of the cladding glass layer. Differing from the circular shape cross sections cause a change in the light guide in optical components, in particular by light modes (so-called helix modes) are hindered and changed, which allows for laser applications, a more effective coupling of pumping light into the laser-active core.
  • a conventional POD process for producing a preform is described, for example, in EP 1 997 783 A2.
  • a cladding glass layer of fluorine-doped quartz glass is produced on the cylinder outer shell of a core rod made of quartz glass.
  • a silicon compound, oxygen and a fluorine compound is fed to a plasma torch, which is reversibly moved along the core rod rotating about its longitudinal axis by reaction of the starting substances in the plasma flame forms fluorine-doped SiO 2 , which is deposited in layers on the core glass and thereby directly vitrified to form the fluorine-containing SiO 2 jacket glass layer.
  • the core rod generally has a radially homogeneous refractive index profile. It usually consists of undoped quartz glass, but may also contain refractive index-changing dopants.
  • the fluorine doping of the cladding glass layer causes a lowering of the refractive index 'with respect to undoped quartz glass and thus a refractive index difference ⁇ between the core glass and the cladding glass.
  • a high refractive index reduction requires a high fluorine doping. This is achieved by vitrifying the cladding glass layer as it is being deposited, thus trapping the lightly diffusing fluorine in the silica glass.
  • the degree of fluorine doping depends on the surface temperature of the core rod and decreases with increasing temperature. A temperature change during the deposition process can therefore lead to inhomogeneous fluorine doping of the cladding glass layer.
  • the effect of surface temperature on the degree of fluorine doping is manifest in core rods (and generally substrate bodies) of non-round cross-section.
  • Kernstabober Assembly is due to the different distances between Kernstabober Assembly and plasma torch during the rotating structure or by other heating effects - to an azimuthal variation of the temperature on the
  • Core rod surface This has effects both on the degree of fluorine doping and on the fusing of the deposited on the surface of SiO 2 particles.
  • the surface temperature is significantly lower than on the flattening. Therefore, more fluorine is incorporated into the glass matrix on the flattening than on the rounding, so that the fluorine-doped quartz glass deposited on the flattening has a lower refractive index than the quartz glass deposited on the rounding. Consequently, there is an azimuthal refractive index variation which corresponds to the azimuthally varying fluorine content of the deposited quartz glass layer or of the azimuthally varying surface temperature during the coating.
  • the POD process parameters relevant for the surface temperature such as power and gas flows, have to be continuously changed and adjusted in such a way that fusing of the deposited SiO 2 particles also occurs in the region of the flattening.
  • a prefabricated cladding glass tube made of fluorine-doped quartz glass is precollated on a mandrel, so that its inner shape is already adapted to the rectangular shape of the core rod to be covered, and a predetermined gap measurement range in the range of 1 to 3 mm can be maintained when overflowing.
  • a gap of 15.9 x 5.8 mm is created in the gap between the core rod and with fluorine-doped cladding glass tube creates a vacuum, so that the softened cladding glass flows in both the radial and azimuthal directions.
  • the cladding layer adapts more or less to the shape of the substrate body, so that the preform either has an approximately oval cross-section, or clearly shows a "double-D shape" corresponding to the cross-section of the substrate body, which can be obtained by grinding the two planar surfaces It will be worked out even more clearly.
  • the production conditions in direct glazing differ substantially from those with soot deposition and downstream glazing (VAD or OCVD process), in particular with regard to the effect of the surface temperature of the substrate body on the homogeneity of the fluorine doping in the cladding glass layer.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a preform, which is characterized by a cladding glass layer with non-round inner cross section at high fluorine doping and axially and radially predetermined, in the simplest case the most uniform dopant distribution and in which the risk of failure due to high mechanical Stress and the risk of blistering due to different surface temperatures of the substrate body is reduced in the deposition process.
  • the generation of the POD cladding glass layer comprises the following method steps:
  • the non-round cross-section substrate body has at least one surface portion that is either flat or that has a curvature that is in The sense is different from that of the enveloping circle, in that its curvature is less or more curved or has a different sign than the curvature of the fictitious enveloping circle around the bases, between which the surface portion extends.
  • this surface section is also briefly referred to below as the "filling surface”.
  • the production of the POD cladding glass layer with non-round internal cross-section takes place in two stages, both of which involve a POD deposition process.
  • a POD filling layer is produced on the filling surface.
  • the peculiarities of this filling layer consist in their chemical composition and in their geometric form. It consists of quartz glass with a fluorine content corresponding to the nominal concentration, and it fills the Aufhell Structure so far that results in a total circular cross-section for the substrate body. Ideally, the radius of this circular cross section corresponds exactly to the enveloping circle radius around the interpolation points; but it can also be a bit bigger or smaller.
  • a cladding glass layer is produced on the then circularly coated substrate body in the usual way by means of POD deposition process.
  • the problem of temperature differences at edges does not arise because of the previously created roundness of the substrate body, so that a homogeneous fluorine doping in the cladding glass layer with a circular cross-section can be obtained without difficulty.
  • the fluorine concentration of the cladding glass layer can be adjusted to specific be adapted to requirements. Even if the fluorine content of the cladding glass layer deviates from the nominal fluorine concentration, there is the advantage of homogeneous and reproducibly producible fluorine dopants within these two layers.
  • the production of the POD filling layer on the filling surface in the preliminary stage preferably comprises the following method steps:
  • a quartz glass layer doped with fluorine in the nominal concentration is produced on the padding surface by means of the POD deposition process.
  • This POD precursor layer completely fills the area from the substrate surface to the enveloping circle, but may also extend beyond it.
  • the deposition process can be adapted to the deposition on the replenishment surface and optimized for the quality of the POD precursor layer, ie, for example, on the degree and homogeneity of the fluorine concentration. Since superfluous layer area are subsequently removed, the homogeneity and blistering in the areas to be removed later need not be considered.
  • the POD precursor layer between the interpolation points is sufficiently thick, in the sense that in the subsequent second step mechanical ablation is possible, which generates from the POD precursor layer a POD filling layer in the sense described above and that to the coated
  • Substrate body with a circular cross-section leads.
  • the substrate body is rotated continuously about the longitudinal axis in order to deposit a circumferential POD precursor layer annularly enclosing the cylinder jacket of the substrate body.
  • the inner cross section of the POD precursor layer thus produced forms the outer profile of the substrate body; So it is ring-shaped but not circular. It is accepted that the fluorine content of the quartz glass, for example in the region of the enveloping circle bases - because of the higher temperature there - is less than in the region of the filling surface. It is important that the quartz glass deposited from the replenishment surface has the fluorine concentration of the nominal concentration and is bubble-free; and then the deposition process is optimized. Because in the second process step, the quartz glass regions are removed with a lower fluorine concentration, so that only the POD filling layer remains over the filling surface between the support points.
  • the POD precursor layer is deposited exclusively or predominantly on the surface portion.
  • the deposition and vitrification of the SiO 2 particles takes place here predominantly or exclusively for filling up the filling surface of the substrate body.
  • it is either rotated in one direction along the plasma deposition burner, the rotational speed being lower in the region of the replenishment surface than outside it, or the substrate body is reversibly turned back and forth in the region of the replenishment surface until the region of the replenishment surface between the support points is filled up , or the padding is completely without Rotating the substrate body about its longitudinal axis filled by POD deposition.
  • the procedure is repeated in succession with each filling surface.
  • process step (bb) preferably all regions of the POD precursor layer projecting beyond the enveloping circle are removed.
  • the regions projecting beyond the enveloping circle either impair the ideal circular shape of the substrate body or consist of quartz glass with a fluorine concentration below the nominal concentration. Ideally, precisely these superfluous areas are removed, so that a coated substrate body is obtained whose outer diameter corresponds exactly to that of the enveloping circle.
  • the substrate body is usually a core rod, a preform for optical fibers or a substrate tube of doped or non-doped quartz glass.
  • the non-circular cross-section is, for example, oval, polygonal, in particular square, rectangular, hexagonal, octagonal or trapezoidal, grooved, flower-shaped, star-shaped or has planar surfaces or slight relief on one side or on several (preferably opposite) sides inside (concave) or outwardly (convex) curved surfaces, so that one or more filling surfaces are generated relative to the circular shape.
  • D-shape has prevailed, from which circular cross-sections with two or four opposing flat sides are also derived as “double-D-shape” or as “quadruple-D-shape” designated. If a substrate body is used which has a polygonal cross-section when viewed in the direction of its longitudinal axis, then preferably all corners of the polygon lie on the enveloping circle.
  • Such a core bar cross section facilitates the formation of the filling layer on the surface portions between the enveloping circle bases.
  • FIG. 2 shows a square core optical fiber in a radial section
  • FIG. 3 shows a scan of an IM-FTS refractive index analysis along the scan line shown in FIG.
  • FIGS. 4 to 6 are process steps for producing a preform on the basis of the method according to the invention starting from a substrate body having a quadruple-D-shaped cross section, and FIGS
  • Figures 7 to 10 are cross-sections of various embodiments of optical preforms, which can be obtained by the method according to the invention.
  • Figure 2 shows a cross section of an optical fiber.
  • the quartz glass core which is square in cross-section, is surrounded by a fiber cladding 22 of fluorine-doped quartz glass, which has a square inner cross-section and a round outer cladding.
  • the side length of the fiber core 21 is at 75 ⁇ and the fiber diameter at 120 ⁇ .
  • the fluorine-doped silica glass of the fiber clad 22 has been formed by traditional POD deposition on a square core rod.
  • FIG. 2 shows a scan line 23 for a characteristic measurement; it extends off-center from the middle of one side 24 to an opposite corner 25 of the square fiber core 21.
  • the refractive index difference ⁇ to undoped quartz glass is plotted on the y-axis and the position P along the scan line 23 in ⁇ on the x-axis.
  • the refractive index difference ⁇ 0.
  • the fluorine-doped cladding glass according to the invention is produced in a multi-stage deposition process, which will be explained in more detail below with reference to FIGS. 4 to 6 using the example of coating a core rod having a 4D-shaped cross-sectional area.
  • the core rod 41 made of undoped quartz glass has four more or less flat sides (filling surfaces 42) connected in pairs, connected by four round corners 43.
  • the cross section shows a fourfold symmetry about the core rod longitudinal axis , All edges are on an enveloping circle 48 around the cross section of the core rod 41st In the exemplary embodiment, this has four interpolation points at the round corners 43.
  • the circle of intersection is understood to mean that circle which completely envelopes the core rod cross-section with the smallest possible diameter.
  • a circumferential, closed jacket glass layer 44 of fluorine doped quartz glass is produced on the basis of a customary POD deposition process.
  • the higher temperature during the deposition in the region of the corners 43 causes a lower fluorine doping there and thus a lower refractive index reduction than in the area of the filling surfaces 42, as explained above with reference to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 4 in dark gray color, the higher-fluorine-doped regions 45 with high refractive index reduction and in light-gray color the regions 46 with reduced incorporation of fluorine and lower refractive index reduction are shown schematically.
  • the POD deposition process is continued until the thickness of the built-up cladding glass layer 44 in the regions 45 which have the nominal fluorine concentration is at least so great that the cladding circle 48 is completely filled up. In other words, the deposition process is terminated as soon as so much mantle glass mass with the nominal fluorine concentration is deposited on the filling surfaces 42 of the core rod profile that it completely fills the region between core rod 41 and its enveloping circle 48.
  • FIG. 5 shows the semi-finished product 51 thus obtained in cross-section.
  • This is circular, wherein the Auf colll lake 42 of the 4D-shaped core rod 41 are coated with circular portions 47 of fluorine-doped quartz glass, which make up a first part of the final POD cladding glass layer and form a POD filling layer according to the invention.
  • the cladding glass sections 47 remaining after grinding consist of quartz glass having approximately the nominal fluorine concentration and that they are on the profile of the core rod 41 together result in a round overall cross-section.
  • the round overall cross-section is a prerequisite for the homogeneous loading of the quartz glass with fluorine to be achieved in the third step, in which the semifinished product 51 is further coated with fluorine-doped quartz glass by means of the POD process. Because of the roundness in the cross section results in a uniform temperature during the deposition process, so that adjusts an azimuthally uniform refractive index in the newly constructed POD-cladding glass layer 49 with circular cross-section.
  • the interface between the cladding glass circular sections 47 and the cladding glass layer 49 has the good quality that can be achieved by default in POD deposition processes.
  • the preform 50 thus produced is shown schematically in FIG.
  • the preform 50 has two cladding glass regions produced in different POD deposition processes, namely the POD filling layer (circular sections 47) and the POD cladding glass layer 49.
  • the refractive index of the POD cladding glass layer 49 is adapted as exactly as possible to the refractive index of the glass of the circular sections 47. which requires fluorine loading corresponding to the nominal fluorine concentration.
  • the refractive index of the POD cladding glass layer 49 can also be set lower or higher relative to the glass of the POD filling layer 47, the former generally being advantageous. In the case of equal dopant concentrations, an interface is not recognizable.
  • the dotted line merely indicates the previous enveloping circle 48.
  • a suitable device for producing the cladding glass layer 44 and the POD cladding glass layer 49, each with an annular cross-section, is shown schematically in FIG.
  • the semifinished product 51 is coated in a deposition chamber 1 by means of a POD process with fluorine-doped quartz glass.
  • the semi-finished product 51 is held with horizontally oriented longitudinal axis 4 by means of frontally welded holding tubes 5 in the clamping jaws of a (not shown) glass lathe.
  • the semi-finished product 51 is not only rotatable about its longitudinal axis 4, but also reversibly reciprocating along the longitudinal axis 4.
  • SiCI 4 , oxygen and SF 6 are supplied to the plasma torch 6 as starting substances and these are converted in the plasma flame 7 into SiO 2 particles.
  • the plasma flame 7 is generated within a burner tube 10 made of quartz glass, which is surrounded by a high-frequency coil. At the beginning of the deposition process, a distance of 120 mm is set between the burner tube 10 and the longitudinal axis of the semifinished product 51.
  • the semifinished product 51 rotating about its longitudinal axis 4 is reciprocated back and forth along the plasma burner 6 between the points of inflection A, B, as indicated by the directional arrow 14.
  • SiO 2 particles are deposited in layers on the circular cylindrical surface in the cross-section. Each deposited layer layer is glazed by means of the plasma flame 7 directly to the fluorine-containing quartz glass of the cladding glass layer 49.
  • FIG. Process step ie the POD structure of the cladding glass on the padding surfaces 42 of the core rod 41st
  • no circumferential, closed jacket glass layer 44 is formed, but only the pad surfaces 42 are coated with cladding glass.
  • the core rod 41 is further rotated after each coating stroke for filling a replenishment surface 42 onto the next replenishment surface 42 to be coated.
  • the cladding glass structure takes place until the core rod areas to be filled up are sufficiently filled up with fluorine-doped quartz glass having the nominal fluorine concentration in order to be able to obtain the semifinished product 51 as in FIG. 4 b) by subsequent cylindrical grinding. This is then further processed to the preform 50, as explained above.
  • a non-round core rod preform and a POD cladding glass layer having a homogeneous refractive index profile is desirable for many fiber applications because it improves the fiber launch and emission characteristics and azimuthally makes the fiber's numerical aperture (NA) more homogeneous.
  • NA numerical aperture
  • Helical modes are obstructed and altered by the 4D-shaped cross-section, which deviates from the circular shape, which allows more efficient coupling of pumping light into the laser-active core in laser applications.
  • FIG. 7 to 10 show cross sections of further optical preforms which can advantageously be produced - ie without bubbles and with homogeneous and defined fluorine doping in the respective filling layer 77, 87, 97, 107 and in the enveloping glass layer 49 - by means of the method according to the invention.
  • a POD cladding glass layer consisting of a fill layer 77, 87, 97, 107 and a layer deposited thereon is produced on a non-round cross-section core of undoped quartz glass and 6-fold symmetry using the above-described two-step process POD cladding glass layer 49 composed of circular cross-section.
  • the differences between the embodiments shown lie only in the geometry of the respective core and in the geometry and fluorine content of the associated filling layer 77, 87, 97, 107.
  • FIG. 7 shows a core bar 71 whose outer casing is provided with flat longitudinal grooves with rounded bottom and concave curvature.
  • the curves at the bottom of the grooves have the same radius of curvature (only with a different sign) as the convex curved surface portions 72 of the core rod 71 between the longitudinal grooves on which the bases 43 of the enveloping circle 48 lie.
  • the filling glass layers 77 therefore have in cross-section - apart from the sharp edges - elliptical shape.
  • FIG. 8 shows a core rod 81 with a flower-shaped cross-section, the outer shell of which is provided with grooves, the walls of which run in convex curvature downwards to a point 83. Adjacent grooves merge smoothly into each other, so that - apart from the tips 83 - the entire surface of the core rod 81 is convexly curved to form outward bulges 82.
  • the support points 43 of the enveloping circle 48 are here on the outer bulges 82.
  • the respective filling glass layers 87 are separated from each other, as well as in all other embodiments according to Figures 6 to 10.
  • Figure 9 shows a similar cross-sectional profile as Figure 7.
  • the core rod 91 has here a star-shaped cross-section. This is due to the fact that the outer sheath of star tips 92 starting is provided with adjacent flat, rounded dents concave curvature. The curves the indentations have the same radius of curvature (of a different sign only) as the enveloping circle 48, so that the fill glass layers 97 are ellipse-like in cross section (except for their two pointed edges). The fluorine content of the filling glass layers 97 in this case is higher than that of the enveloping glass layer 49.
  • the star tips 92 form the support points 43 of the enveloping circle. Apart from these, the entire surface of the core rod 91 is concavely curved.
  • Figure 10 shows a similar cross-sectional profile as Figure 8.
  • the core bar 101 has a wave-shaped cross-sectional profile in which hills 102 and valleys alternate.
  • the valleys come about through longitudinal grooves in the outer shell of the core rod 101, which have concave curvature in the valley floor and otherwise convex curvature.
  • the hills 102 form the bases 43 of the enveloping circle 48.
  • the respective filling glass layers 107 are separated from each other.

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Description

Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorform mit einer POD-Mantelglasschicht Beschreibung
Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorform mit einer POD-Mantelglasschicht aus mit Fluor dotiertem Quarzglas, indem mittels eines Plasmabrenners SiO2-Partikel in Gegenwart von Fluor gebildet, diese auf der Zylindermantelfläche eines zylinderförmigen und eine Längsachse aufweisenden Substratkörpers abgeschieden und direkt verglast werden, wobei der Substratkörper in Richtung seiner Längsachse gesehen einen nicht kreisrunden Querschnitt aufweist, bei dem sich zwischen Stützpunkten eines Hüllkreises mindestens ein Oberflächenabschnitt ohne Krümmung oder mit anderer Krümmung als der Hüllkreis-Krümmung erstreckt.
Die optische Vorform wird direkt zu einer optischen Faser gezogen oder sie dient als stab- oder rohrförmiges Vorprodukt für die Faserherstellung. In radialer Richtung zeigt sie einen nicht-homogenen Verlauf des Brechungsindex, der von der Fluor-Dotierung der Mantelglasschicht mitbestimmt wird. Von der Kreisform abweichende Querschnitte bewirken in optischen Bauteilen eine Veränderung der Lichtführung, insbesondere werden dadurch Lichtmoden (so genannte Helixmoden) behindert und verändert, was bei Laseranwendungen ein effektiveres Einkoppeln von Pumplicht in den laseraktiven Kern ermöglicht.
Stand der Technik Ein übliches POD-Verfahren (Plasma Outside Deposition) zur Herstellung einer Vorform ist beispielsweise in der EP 1 997 783 A2 beschrieben. Dabei wird auf dem Zylinderaußenmantel eines Kernstabs aus Quarzglas eine Mantelglasschicht aus mit Fluor dotiertem Quarzglas erzeugt. Eine derartige Schicht wird hier und im Folgenden als„POD-Mantelglasschicht" bezeichnet. Zur Erzeugung der POD- Mantelglasschicht wird einem Plasmabrenner eine Siliziumverbindung, Sauerstoff und eine Fluorverbindung zugeführt, der dabei entlang des um seine Längsachse rotierenden Kernstabs reversierend bewegt wird. Durch Reaktion der Ausgangs- Substanzen in der Plasmaflamme bildet sich mit Fluor dotiertes SiO2, das auf dem Kernglas schichtweise abgeschieden und dabei unter Bildung der fluorhaltigen SiO2-Mantelglasschicht direkt verglast wird.
Der Kernstab weist in der Regel ein radial homogenes Brechzahlprofil auf. Er besteht meist aus undotiertem Quarzglas, kann aber auch den Brechungsindex verändernde Dotierstoffe enthalten. Die Fluordotierung der Mantelglasschicht bewirkt eine Absenkung des Brechungsindex' gegenüber undotiertem Quarzglas und damit eine Brechzahldifferenz Δη zwischen dem Kernglas und dem Mantelglas. Eine hohe Brechzahlabsenkung erfordert eine hohe Fluor-Dotierung. Dies wird erreicht, indem die Mantelglasschicht direkt beim Abscheiden verglast und auf diese Weise das leicht diffundierende Fluor im Quarzglas eingeschlossen wird.
Es ist bekannt, dass der Grad der Fluordotierung von der Oberflächentemperatur des Kernstabs abhängt und mit zunehmender Temperatur abnimmt. Eine Temperaturänderung während des Abscheideprozesses kann deshalb zu inhomogener Fluordotierung der Mantelglasschicht führen. Die Wirkung der Oberflächentemperatur auf den Grad der Fluordotierung macht sich bei Kernstäben (und allgemein bei Substratkörpern) mit nicht-rundem Querschnitt bemerkbar.
Dabei kommt es - sei es durch die während des rotierenden Aufbaus unterschiedlichen Abstände zwischen Kernstaboberfläche und Plasmabrenner oder durch andere Aufheizeffekte - zu einer azimutalen Variation der Temperatur auf der
Kernstaboberfläche. Dies hat Auswirkungen sowohl auf den Grad der Fluordotierung als auch auf das Verschmelzen der auf der Oberfläche abgeschiedenen SiO2-Partikel. So ist beispielsweise die Oberflächentemperatur bei der Beschichtung eines Kernstabs mit D-förmiger Querschnittsfläche auf der Abflachung deutlich geringer als auf der Rundung. Auf der Abflachung wird daher mehr Fluor in die Glasmatrix eingebaut als auf der Rundung, so dass das auf der Abflachung abgeschiedene fluordotierte Quarzglas eine geringere Brechzahl aufweist als das auf der Rundung abgeschiedene Quarzglas. Es kommt folglich zu einer azimutalen Brechzahlvariation, die dem azimutal variierenden Fluorgehalt der abgeschiedenen Quarzglasschicht beziehungsweise der der azimutal variierenden Oberflächentemperatur während der Beschichtung entspricht. Infolge der tieferen Temperatur im Bereich der Abflachung besteht außerdem die Gefahr, dass das abgeschiedene SiO2 nicht vollständig verschmolzen wird und sich so Blasen bilden können. Daher müssen die für die Oberflächentemperatur maßgeblichen POD-Prozessparameter, wie Leistung und Gasflüsse, laufend so geändert und so angepasst werden, dass es auch im Bereich der Abflachung zu einem Verschmelzen der abgeschiedenen SiO2-Partikel kommt.
Aus diesem Grunde kommt die DE 10 2009 004 756 A1 zum Schluss, dass das POD-Abscheideverfahren bei Substratkörpern mit Abweichungen von der Kreiszylindergeometrie - insbesondere bei Stäben mit rechteckförmigem Querschnitt - nicht geeignet sei, weil sich bei der Rotation dieser Substratkörper um ihre Längsachse der Abstand zwischen Plasmabrenner und Substratkörper- Oberfläche laufend so stark ändert, dass unterschiedliche Abscheidebedingungen und Abscheidetemperaturen auftreten, die eine inhomogene Abscheidung der POD-Mantelglasschicht verursachen.
Der Ausweg aus dieser Problematik wird in einer Überfangtechnik gesehen. Vor- zugsweise wird dabei ein vorgefertigtes Mantelglasrohr aus fluordotiertem Quarzglas auf einem Dorn vorkollabiert, so dass dessen Innenform bereits an die Rechteckform des zu überfangenden Kernstabs angepasst ist, und beim Überfangen ein vorgegebenes Spaltmaßbereich im Bereich von 1 bis 3 mm eingehalten werden kann. Beim Aufkollabieren des in Rechteckform vorkollabierten Mantel- glasrohres wird im Spalt zwischen Kernstab mit den Abmessungen 15,9 x 5,8 mm und mit Fluor dotiertem Mantelglasrohr ein Vakuum erzeugt, so dass das erweichte Mantelglas sowohl in radialer als auch in azimutaler Richtung fließt.
Diese Kombination von Abscheidetechnik und Überfangtechnik zur Erzeugung der Mantelglasschicht erfordert jedoch mehrere zusätzliche Verfahrensschritte und ist zeit- und kostenaufwändig. Zudem ist es schwierig, eine gleichbleibend hohe Qualität der Grenzfläche zwischen Kernstab und aufkollabiertem Mantelglasrohr zu gewährleisten.
Es ist weiterhin aus US 4,859,223 A die Herstellung einer optischen Vorform bekannt, wobei auf einem nicht-runden Substratkörper aus Germanium oder Fluor dotiertem Quarzglas eine ebenfalls fluordotierte Mantelglas-Sootschicht mittels VAD (Vapor Phase Axial Deposition) oder OCVD (Outside Chemical Vapor Deposition) Verfahren abgeschieden und anschließend gesintert wird. Der Substratkörper hat eine "Doppel-D Form", d. h. zwei sich gegenüberliegende plane Flächen und zwei leicht konvex gekrümmte Flächen. Die Sootschicht umhüllt diesen nicht-runden Substratkörper in zylindrischer Form mit kreisrundem Querschnitt. Beim Sintern passt sich die Mantelschicht mehr oder weniger der Form des Substratkörpers an, so dass die Vorform entweder einen annähernd ovalen Querschnitt aufweist, oder eindeutig eine dem Querschnitt des Substratkörpers entsprechende "Doppel-D-Form" zeigt, die durch Anschleifen der zwei planen Flä- chen noch deutlicher ausgearbeitet wird.
Die Herstellbedingungen bei Direktverglasung (POD-Verfahren) unterscheiden sich wesentlich von denen mit Sootabscheidung und nachgeordneter Verglasung (VAD bzw. OCVD Verfahren), insbesondere im Hinblick auf die Wirkung der Oberflächentemperatur des Substratkörpers auf die Homogenität der Fluordotie- rung in der Mantelglasschicht. Technische Aufgabenstellung
Bisher treten bei der Erzeugung von Mantelglasschichten auf nicht-runden Substratkörpern mittels POD-Abscheidung die oben beschriebenen, azimutalen Variationen der Brechzahl auf. Das POD-Abscheideverfahren ist an und für sich besonders gut geeignet, auf einen Substratkörper Schichten aus Quarzglas mit hoher Konzentration an Dotierstoff bei hoher Qualität der Grenzfläche aufzubringen. Es ist daher wünschenswert, dieses Verfahren auch für die Erzeugung von Mantelglasschichten auf Substratkörpern mit nicht-rundem Querschnitt einsetzen zu können. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform anzugeben, die sich durch eine Mantelglasschicht mit nicht-rundem Innenquerschnitt bei hoher Fluordotierung und axial und radial vorgegebener, im einfachsten Fall möglichst gleichmäßiger Dotierstoffverteilung auszeichnet und bei dem das Ausfallrisiko infolge hoher mechanischer Spannungen und die Ge- fahr von Blasenbildung infolge unterschiedlicher Oberflächentemperaturen des Substratkörpers beim Abscheideprozess verringert ist.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Erzeugen der POD-Mantelglasschicht fol- gende Verfahrensschritte umfasst:
(a) Erzeugen einer POD-Füllschicht aus Quarzglas mit der Fluor- Nominalkonzentration auf dem Oberflächenabschnitt, unter Ausbildung eines beschichteten Substratkörpers mit kreisrundem Querschnitt mit einem Radius, der mindestens so groß ist wie der des Hüllkreises, und (b) Abscheiden einer im Querschnitt kreisringförmigen POD-Hüllglasschicht aus fluordotiertem Quarzglas auf dem beschichteten Substratkörper.
Der Substratkörper mit nicht-rundem Querschnitt hat mindestens einen Oberflächenabschnitt, der entweder flach ist oder der eine Krümmung aufweist, die in dem Sinne anders ist als die des Hüllkreises, als dass deren Krümmung weniger oder stärker gekrümmt ist oder ein anderes Vorzeichen hat als die Krümmung des fiktiven Hüllkreises um die Stützpunkte, zwischen denen sich der Oberflächenabschnitt erstreckt. Der Einfachheit halber wird dieser Oberflächenabschnitt im Fol- genden auch kurz als„Auffüllfläche" bezeichnet.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung der POD- Mantelglasschicht mit nicht-rundem Innenquerschnitt in zwei Stufen, die beide einen POD-Abscheideprozess beinhalten.
In einer ersten Stufe wird auf der Auffüllfläche eine POD-Füllschicht erzeugt. Die Besonderheiten dieser Füllschicht bestehen in ihrer chemischen Zusammensetzung und in ihrer geometrischen Form. Sie besteht aus Quarzglas mit einem Fluorgehalt entsprechend der Nominal-Konzentration, und sie füllt die Auffüllfläche soweit auf, dass sich für den Substratkörper insgesamt ein kreisrunder Querschnitt ergibt. Im Idealfall entspricht der Radius dieses kreisrunden Querschnitts genau dem Hüllkreis-Radius um die Stützpunkte; er kann aber auch etwas größer oder kleiner sein.
In der zweiten Stufe wird auf dem dann kreisrund beschichteten Substratkörper eine Mantelglasschicht in üblicher weise mittels POD-Abscheideprozess erzeugt. Dabei stellt sich wegen der vorher geschaffenen Rundheit des Substratkörpers das Problem von Temperaturunterschieden an Kanten nicht, so dass eine homogene Fluordotierung in der Mantelglasschicht mit kreisrundem Querschnitt ohne Schwierigkeiten erhalten werden kann.
Wenn der Fluorgehalt sowohl der in zweiter Stufe erzeugten, kreisrunden POD- Mantelglasschicht als auch der in der ersten Stufe erzeugten POD-Füllschicht der Fluor-Nominalkonzentration entspricht, ergibt sich insgesamt eine homogen dotierte und mittels POD-Verfahren erzeugte und auf dem Substratkörper aufgebrachte POD-Hüllglasschicht mit nicht-rundem Innen- und mit rundem Außenquerschnitt.
POD-Füllschicht und kreisrunde POD-Hüllglasschicht bilden zusammen die POD- Mantelglasschicht. Die Fluorkonzentration der Hüllglasschicht kann an spezifi- sehe Anforderungen angepasst sein. Auch wenn der Fluorgehalt der Hüllglasschicht von der Fluor-Nominalkonzentration abweicht, ergibt sich der Vorteil von homogenen und reproduzierbar herstellbaren Fluordotierungen innerhalb dieser beiden Schichten. Das Erzeugen der POD-Füllschicht auf der Auffüllfläche in der Vorstufe umfasst vorzugsweise folgende Verfahrensschritte:
(aa) Abscheiden einer POD-Vorläuferschicht aus dem Quarzglas mit der Fluor- Nominalkonzentration auf dem Oberflächenabschnitt,
(bb) Abtragen den Hüllkreis überragender Bereiche der POD-Vorläuferschicht unter Ausbildung des beschichteten Substratkörpers mit kreisrundem Querschnitt.
Im ersten Schritt wird - wie bereits beschrieben - mittels POD-Abscheideprozess auf der Auffüllfläche eine mit Fluor in der Nominalkonzentration dotierte Quarzglasschicht erzeugt. Diese POD-Vorläuferschicht füllt den Bereich von der Sub- stratkörper-Oberfläche zum Hüllkreis vollständig auf, kann sich aber auch darüber hinaus erstrecken. Der Abscheideprozess kann in dieser ersten Stufe an die Ab- scheidung auf der Auffüllfläche angepasst und auf die Qualität der POD- Vorläuferschicht optimiert sein, also beispielsweise auf den Grad und auf die Homogenität der Fluorkonzentration. Da überflüssige Schichtbereich nachträglich abgetragen werden, muss auf die Homogenität und Blasenbildung in den später abzutragenden Bereichen keine Rücksicht genommen werden.
Wichtig ist auch, dass die POD-Vorläuferschicht zwischen den Stützpunkten ausreichend dick ist, in dem Sinne, dass im nachfolgenden zweiten Schritt ein mechanisches Abtragen möglich ist, das aus der POD-Vorläuferschicht eine POD- Füllschicht im oben beschriebenen Sinne erzeugt und das zu dem beschichteten
Substratkörpers mit kreisrundem Querschnitt führt.
Das Abtragen überflüssiger Schichtbereiche erfolgt in bekannter Weise mechanisch durch Fräsen, Schleifen, Polieren und dergleichen, wobei im Idealfall alle den Hüllkreis überragenden Bereiche der POD-Vorläuferschicht entfernt werden. Auf diese Weise wird über der Auffüllfläche ein Bereich aus Quarzglas mit der Fluor-Nominalkonzentration erzeugt, der von einem Kreisbogen zwischen den Stützpunkten begrenzt ist, dessen Radius genau dem Hüllkreis-Radius entspricht. Geringfügig größere oder kleinere Radien sind akzeptabel, wobei im letztgenannten Fall ein Teil des Substratkörpers um die Stützpunkte abgetragen wird. Für das Abscheiden der POD-Vorläuferschicht auf der Auffüllfläche gemäß Verfahrensschritt (aa) haben sich zwei verschiedene Verfahrensvarianten als günstig erwiesen.
Bei der einen ist vorgesehen, dass beim Abscheiden der POD-Vorläuferschicht der Substratkörper um die Längsachse kontinuierlich rotiert wird, um eine den Zylindermantel des Substratkörpers ringförmig umschließende, umlaufende POD- Vorläuferschicht abzuscheiden.
Der Innenquerschnitt der so erzeugten POD-Vorläuferschicht bildet das Außenprofil des Substratkörpers ab; sie ist also ringförmig aber nicht kreisringförmig. Dabei wird in Kauf genommen, dass der Fluorgehalt des Quarzglases beispiels- weise im Bereich der Hüllkreis-Stützpunkte - wegen der dort höheren Temperatur - geringer ist als im Bereich der Auffüllfläche. Wichtig ist, dass der aus der Auffüllfläche abgeschiedene Quarzglas die Fluorkonzentration der Nominalkonzentration hat und blasenfrei ist; und daraufhin wird der Abscheideprozess optimiert. Denn im zweiten Verfahrensschritt werden die Quarzglasbereiche mit geringerer Fluorkonzentration abgetragen, so dass nur die POD-Füllschicht über der Auffüllfläche zwischen den Stützpunkten übrig bleibt.
Bei der anderen Verfahrensvariante wird die POD-Vorläuferschicht ausschließlich oder überwiegend auf dem Oberflächenabschnitt abgeschieden.
Das Abscheiden und Verglasen der SiO2-Partikel erfolgt hierbei überwiegend o- der ausschließlich zur Auffüllung der Auffüllfläche des Substratkörpers. Dieser wird dabei entweder in einer Richtung entlang des Plasma-Abscheidebrenners gedreht, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit im Bereich der Auffüllfläche geringer ist als außerhalb davon, oder der Substratkörper wird reversierend im Bereich der Auffüllfläche hin- und zurückgedreht bis der Bereich der Auffüllfläche zwischen den Stützpunkten aufgefüllt ist, oder die Auffüllfläche wird ganz ohne Verdrehen des Substratkörpers um seine Längsachse durch POD-Abscheidung aufgefüllt. Im Fall mehrerer Auffüllflächen wird nacheinander mit jeder Auffüllfläche entsprechend verfahren.
Auch bei dieser Vorgehensweise muss anschließend überschüssiges Material abgetragen werden, um einen beschichteten Substratkörper mit exakt rundem Querschnitt zu erhalten. Sie hat aber gegenüber der erstgenannten Verfahrensvariante den Vorteil, dass ein gezielteres Auffüllen der Auffüllfläche mit weniger Aufwand und Materialverlust beim nachfolgenden Abtragen ermöglicht wird.
Wie bereits erwähnt, werden beim Verfahrensschritt (bb) bevorzugt alle den Hüll- kreis überragenden Bereiche der POD-Vorläuferschicht abgetragen.
Die den Hüllkreis überragenden Bereiche beeinträchtigen entweder die ideale Kreisform des Substratkörpers oder sie bestehen aus Quarzglas mit einer Fluor- Konzentration unterhalb der Nominalkonzentration. Im Idealfall werden genau diese überflüssigen Bereiche abgetragen, so dass ein beschichteter Substratkör- per erhalten wird, dessen Außendurchmesser genau dem des Hüllkreises entspricht.
Bei dem Substratkörper handelt es sich in der Regel um einen Kernstab, eine Vorform für optische Fasern oder um ein Substratrohr aus dotiertem oder aus nicht dotiertem Quarzglas. Der nicht-kreisrunde Querschnitt ist beispielsweise oval, polygonal, insbesondere quadratisch, rechteckig, 6-eckig, 8-eckig oder trapezförmig, gerillt, blütenförmig, sternförmig oder er hat an einer Seite oder an mehreren (vorzugsweise gegenüberliegenden) Seiten plane Flächen oder leicht nach innen (konkav) oder nach außen (konvex) gekrümmte Flächen, so dass eine oder mehrere Auffüllflächen gegenüber der Kreisform erzeugt werden. Zur Be- Zeichnung einer Ausführungsform mit Kreis und einer Flachseite hat sich der Begriff„D-Form" durchgesetzt. Davon abgeleitet werden Kreisquerschnitte mit zwei oder vier gegenüberliegenden Flachseiten auch als„Doppel-D-Form" beziehungsweise als„Vierfach-D-Form" bezeichnet. Wird ein Substratkörper eingesetzt, der in Richtung seiner Längsachse gesehen einen polygonalen Querschnitt aufweist, so liegen vorzugsweise alle Ecken des Polygons auf dem Hüllkreis.
Ein derartiger Kernstab-Querschnitt erleichtert die Herstellung der Füllschicht auf den Oberflächenabschnitten zwischen den Hüllkreis-Stützpunkten.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Patentzeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt
Figur 1 eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform nach dem POD- Verfahren in schematischer Darstellung,
Figur 2 eine optische Faser mit quadratischem Kern in einem radialen Schnitt,
Figur 3 einen Scan einer IM-FTS-Brechzahlanalyse entlang der in Figur 2 eingezeichneten Scanlinie,
Figuren 4 bis 6 Verfahrensschritte zur Herstellung einer Vorform anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgehend von einem Substratkörper mit einem Querschnitt mit Vierfach-D-Form, und
Figuren 7 bis 10 Querschnitte verschiedener Ausführungsformen von optischen Vorformen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden können. Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer optischen Faser. Der im Querschnitt quadratische Faserkern 21 aus undotiertem Quarzglas ist von einem Fasermantel 22 aus fluordotiertem Quarzglas umgeben, der einen quadratischen Innenquerschnitt und einen runden Außenmantel aufweist. Die Seitenlänge des Faserkerns 21 liegt bei 75 μιτι und der Faserdurchmesser bei 120 μιτι. Das fluordotierte Quarzglas des Fasermantels 22 ist durch traditionelle POD-Abscheidung auf einem quadratischen Kernstab erzeugt worden. Die Faser wurde einer Brechzahlmessung mittels IM-FTS (Interference Microsco- py + Fourier Transform Spectroscopy) unterzogen. Diese Messungen zeigen die azimutale Brechzahlvariation im Fasermantel 22. Die Brechzahlvariationen sind umso größer, je stärker der eingesetzte Kernstab von der Kreisform abweicht. In Figur 2 ist eine Scanlinie 23 für eine charakteristische Messung eingezeichnet; sie verläuft außermittig von der Mitte einer Seite 24 zu einer gegenüber liegenden Ecke 25 des quadratischen Faserkerns 21 .
Das Ergebnis der IM-FTS-Messung für die Scanlinie 23 ist in Figur 3 dargestellt. Auf der y-Achse ist die Brechzahldifferenz Δη zu undotiertem Quarzglas aufgetra- gen und auf der x-Achse die Position P entlang der Scanlinie 23 in μιτι. Im Bereich des Faserkerns 21 ist die Brechzahldifferenz Δη = 0. Das Brechzahlprofil zeigt, dass die Brechzahl des auf der flachen Seite 24 des Fasermantels 22 (mit 22/24 bezeichnet) abgeschiedenen fluordotierten Quarzglases stärker abgesenkt ist (Δη=17,3 x 10"3) als die Brechzahl des fluordotierten Quarzglases, das in der Nä- he der Ecke 25 des Fasermantels 22 (mit 22/25 bezeichnet) abgeschieden wurde (Δη=13,8 x 10"3). Dies wird auf die höhere Oberflächentemperatur beim Abschei- deprozess im Bereich der Kernstab-Ecke 25 zurückgeführt.
Um diesen Effekt zu vermeiden, wird das fluordotierte Mantelglas gemäß der Erfindung in einem mehrstufigen Abscheideprozess erzeugt, der im Folgenden an- hand der Figuren 4 bis 6 am Beispiel der Beschichtung eines Kernstabs mit 4D- förmiger Querschnittsfläche näher erläutert wird.
In dem in Figur 4 gezeigten radialen Querschnitt hat der Kernstab 41 aus undotiertem Quarzglas vier sich paarweise gegenüber liegende mehr oder wenige flache Seiten (Auffüllflächen 42), verbunden über vier runde Ecken 43. Der Quer- schnitt zeigt eine vierzählige Symmetrie um die Kernstab-Längsachse. Alle Kanten liegen auf einem Hüllkreis 48 um den Querschnitt des Kernstabs 41 . Dieser hat im Ausführungsbeispiel vier Stützstellen an den runden Ecken 43. Grundsätzlich wird unter dem Hüllkreis derjenige Kreis verstanden, der den Kernstab- Querschnitt mit kleinst-möglichem Durchmesser vollständig umhüllt. Auf dem um seine Längsachse rotierenden Kernstab 41 wird anhand eines üblichen POD-Abscheideprozesses eine umlaufende, geschlossene Mantelglasschicht 44 aus fluordotiertem Quarzglas erzeugt. Die höhere Temperatur während der Abscheidung im Bereich der Ecken 43 bewirkt dort eine geringere Fluordotie- rung und damit eine geringere Brechzahlabsenkung als im Bereich der Auffüllflächen 42, wie oben anhand der Figuren 2 und 3 erläutert. In Figur 4 sind in dunkelgrauer Farbe die höher fluordotierten Bereiche 45 mit starker Brechzahlabsenkung und in hellgrauer Farbe die Bereiche 46 mit reduziertem Fluoreinbau und geringerer Brechzahlabsenkung schematisch dargestellt. Die POD-Prozessparameter sind dabei so eingestellt, dass sich in den auf den flachen Seiten 42 abgeschiedenen Bereichen 45 eine Fluorkonzentration einstellt, die eine Brechzahlabsenkung von Δη=17,3 x 10"3 bewirkt; dies ist die Fluor- Nominalkonzentration.
Der POD-Abscheideprozess wird so lange fortgeführt, bis die Dicke der aufge- bauten Mantelglasschicht 44 im den Bereichen 45, welche die Fluor-Nominalkonzentration haben, mindestens so groß ist, dass der Hüllkreis 48 vollständig aufgefüllt ist. Mit anderen Worten: der Abscheideprozess wird beendet, sobald auf den Auffüllflächen 42 des Kernstab-Profils so viel Mantelglasmasse mit der Fluor-Nominalkonzentration abgelagert ist, dass diese den Bereich zwischen Kernstab 41 und seinem Hüllkreis 48 vollständig ausfüllt.
Im zweiten Schritt wird die Außengeometrie des so erhaltenen Rohlings mechanisch rund geschliffen, und zwar derart, dass der Enddurchmesser nach dem Abschleifen dem Hüllkreis-Durchmesser entspricht. Figur 5 zeigt das so erhaltene Halbzeug 51 im Querschnitt. Dieser ist kreisrund, wobei die Auffüllflächen 42 des 4D-fömigen Kernstabs 41 mit Kreisabschnitten 47 aus fluordotiertem Quarzglas belegt sind, die einen ersten Teil der endgültigen POD-Mantelglasschicht ausmachen und die eine POD-Füllschicht im Sinne der Erfindung bilden. Wichtig ist, dass die nach dem Abschleifen verbleibenden Mantelglas-Kreisabschnitte 47 aus Quarzglas mit annähernd der Fluor-Nominalkonzentration bestehen und dass sie auf dem Profil des Kernstabs 41 zusammen einen runden Gesamtquerschnitt ergeben.
Der runde Gesamtquerschnitt ist Voraussetzung dafür, dass im dritten Schritt, in dem das Halbzeug 51 weiter mittels POD-Prozess mit fluordotiertem Quarzglas beschichtet wird, eine homogene Beladung des Quarzglases mit Fluor erreicht werden kann. Denn infolge der Rundheit im Querschnitt ergibt sich eine gleichmäßige Temperatur beim Abscheideprozess, so dass sich in der neu aufgebauten POD-Hüllglasschicht 49 mit kreisringförmigem Querschnitt eine azimutal gleichmäßige Brechzahl einstellt. Die Grenzfläche zwischen den Mantelglas- Kreisabschnitten 47 und der Hüllglasschicht 49 hat die gute Qualität, wie sie bei POD-Abscheide-prozessen standardmäßig erreichbar ist.
Die so erzeugte Vorform 50 ist schematisch in Figur 6 gezeigt. Die Vorform 50 weist zwei in unterschiedlichen POD-Abscheideprozessen erzeugte Mantelglasbereiche auf, nämlich die POD-Füllschicht (Kreisabschnitte 47) und die POD- Hüllglasschicht 49. Die Brechzahl der POD-Hüllglasschicht 49 ist möglichst genau an die Brechzahl des Glases der Kreisabschnitte 47 angepasst, was eine Fluorbeladung entsprechend der Fluor-Nominalkonzentration erfordert. Die Brechzahl der POD-Hüllglasschicht 49 kann aber relativ zum Glas der POD-Füllschicht 47 auch niedriger oder höhereingestellt werden, wobei ersteres in der Regel vorteil- haft ist. Im Fall gleicher Dotierstoff-Konzentrationen ist eine Grenzfläche nicht erkennbar. Die punktierte Linie deutet lediglich den vorherigen Hüllkreis 48 an.
Eine geeignete Vorrichtung zur Herstellung der Mantelglasschicht 44 und der POD-Hüllglasschicht 49 mit jeweils kreisringförmigem Querschnitt ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Zum Abscheiden der POD-Hüllglasschicht 49 wird das Halbzeug 51 in einer Abscheidekammer 1 mittels POD-Verfahren mit fluordotiertem Quarzglas beschichtet. Das Halbzeug 51 wird mit horizontal orientierter Längsachse 4 mittels stirnseitig angeschweißter Halterohre 5 in den Spannbacken einer (nicht dargestellten) Glasdrehbank gehalten. Mittels der Glasdrehbank ist das Halbzeug 51 nicht nur um seine Längsachse 4 rotierbar, sondern auch entlang der Längsachse 4 reversierend hin- und herbewegbar. Dem Plasmabrenner 6 werden als Ausgangssubstanzen SiCI4, Sauerstoff und SF6 zugeführt und diese in der Plasmaflamme 7 zu SiO2-Partikeln umgesetzt. Die Plasmaflamme 7 wird innerhalb eines Brennerrohres 10 aus Quarzglas erzeugt, das von einer Hochfrequenzspule umgeben ist. Zu Beginn des Abscheideprozes- ses wird zwischen dem Brennerrohr 10 und der Längsachse des Halbzeugs 51 ein Abstand von 120 mm eingestellt.
Das um seine Längsachse 4 rotierende Halbzeug 51 wird entlang des Plasmabrenners 6 reversierend zwischen den Wendepunkten A, B hin- und herbewegt, wie vom Richtungspfeil 14 angedeutet. Dabei werden SiO2-Partikel schichtweise auf der im Querschnitt kreisrunden Zylindermantelfläche abgeschieden. Jede abgeschiedene Schichtlage wird mittels der Plasmaflamme 7 direkt zu dem fluorhal- tigen Quarzglas der Mantelglasschicht 49 verglast.
Eine Modifikation des oben erläuterten Verfahrens unterscheidet sich im 1 . Verfahrensschritt, also dem POD-Aufbau des Mantelglases auf den Auffüllflächen 42 des Kernstabs 41 . Dabei wird keine umlaufende, geschlossene Mantelglasschicht 44 ausgebildet, sondern es werden nur die Auffüllflächen 42 mit Mantelglas beschichtet. Der Kernstab 41 wird hierzu nach jedem Beschichtungshub zur Auffüllung einer Auffüllfläche 42 auf die nächste zu beschichtenden Auffüllfläche 42 weitergedreht. Der Mantelglasaufbau findet so lange statt, bis die aufzufüllenden Kern- Stabbereiche genügend mit fluordotiertem Quarzglas mit der Fluor- Nominalkonzentration aufgefüllt sind, um durch anschließendes Rundschleifen das Halbzeug 51 wie in Fig. 4 b) erhalten zu können. Diese wird anschließend zu der Vorform 50 weiterverarbeitet, wie oben erläutert.
Eine Vorform mit nicht-rundem Kernstab und einer POD-Mantelglasschicht mit homogenem Brechzahlprofil ist für viele Faseranwendungen erwünscht, da sich dadurch die Einkoppel- und Abstrahlcharakteristik der Faser verbessert und die numerische Apertur (NA) der Faser azimutal homogener wird. Durch den von der Kreisform abweichenden, 4D-förmigen Querschnitt werden Helixmoden behindert und verändert, was bei Laseranwendungen ein effektiveres Einkoppeln von Pumplicht in den laseraktiven Kern ermöglicht. Die Figuren 7 bis 10 zeigen Querschnitte weiterer optischer Vorformen, die vorteilhaft - also blasenfrei und mit homogener und definierter Fluordotierung in der jeweiligen Füllschicht 77, 87, 97, 107 und der in der Hüllglasschicht 49 - anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar sind. Bei allen Ausführungsfor- men wird auf einem Kern mit nicht-rundem Querschnitt aus undotiertem Quarzglas und 6-zähliger Symmetrie anhand des oben erläuterten zweistufigen Verfahrens eine POD-Mantelglasschicht erzeugt, die sich aus einer Füllschicht 77, 87, 97, 107 und einer darauf abgeschiedenen POD-Hüllglasschicht 49 mit kreisringförmigem Querschnitt zusammensetzt. Die Unterschiede zwischen den dargestell- ten Ausführungsformen liegen nur in der Geometrie des jeweiligen Kerns und in Geometrie und Fluorgehalt der dazu gehörigen Füllschicht 77, 87, 97, 107.
Figur 7 zeigt einen Kernstab 71 , dessen Außenmantel mit flachen Längsnuten mit abgerundetem Boden konkaver Krümmung versehen ist. Die Rundungen am Boden der Nuten haben denselben Krümmungsradius (nur mit anderem Vorzeichen) wie die konvex gekrümmten Oberflächenabschnitte 72 des Kernstabs 71 zwischen den Längsnuten, auf denen die Stützpunkte 43 des Hüllkreises 48 liegen. Die Füllglasschichten 77 haben daher im Querschnitt - abgesehen von den spitzen Rändern - elliptische Form.
Figur 8 zeigt einen Kernstab 81 mit blütenförmigem Querschnitt, dessen Außen- mantel mit Nuten versehen ist, deren Wandung in konvexer Krümmung nach unten zu einer Spitze 83 zulaufen. Benachbarte Nuten gehen übergangslos ineinander über, so dass - von den Spitzen 83 abgesehen - die gesamte Oberfläche des Kernstabs 81 unter Bildung nach Außenwölbungen 82 konvex gekrümmt ist. Die Stützpunkte 43 des Hüllkreises 48 liegen hier auf den Außenwölbungen 82. Die jeweiligen Füllglasschichten 87 sind voneinander getrennt, wie auch bei allen anderen Ausführungsformen gemäß den Figuren 6 bis 10.
Figur 9 zeigt ein ähnliches Querschnittsprofil wie Figur 7. Der Kernstab 91 hat hier einen sternförmigen Querschnitt. Dieser kommt dadurch zustande, dass der Außenmantel von Sternspitzen 92 ausgehend mit aneinandergrenzenden flachen, abgerundeten Eindellungen konkaver Krümmung versehen ist. Die Rundungen der Eindellungen haben denselben Krümmungsradius (nur mit anderem Vorzeichen) wie der Hüllkreis 48, so dass die Füllglasschichten 97 im Querschnitt ellipsenähnlich sind (mit Ausnahme ihrer beiden spitzen Ränder). Der Fluorgehalt der Füllglasschichten 97 ist in diesem Fall höher als der der Hüllglasschicht 49. Die Sternspitzen 92 bilden die Stützpunkte 43 des Hüllkreises. Von diesen abgesehen ist die gesamte Oberfläche des Kernstabs 91 konkav gekrümmt.
Figur 10 zeigt ein ähnliches Querschnittsprofil wie Figur 8. Der Kernstab 101 hat ein wellenförmiges Querschnittsprofil, bei dem sich Hügel 102 und Täler abwechseln. Die Täler kommen durch Längsnuten im Außenmantel des Kernstabs 101 zustande, die im Talboden konkave Krümmung und ansonsten konvexe Krümmung haben. Die Hügel 102 bilden die Stützpunkte 43 des Hüllkreises 48. Die jeweiligen Füllglasschichten 107 sind voneinander getrennt.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorform (50) mit einer POD-Mantelglasschicht aus mit Fluor dotiertem Quarzglas, indem mittels eines Plasmabrenners (6) SiO2-Partikel in Gegenwart von Fluor gebildet, diese auf der Zylindermantelfläche eines zylinderförmigen und einer Längsachse aufweisenden Substratkörpers (2) abgeschieden und direkt verglast werden, wobei der Substratkörper
(2) in Richtung seiner Längsachse (4) gesehen einen nicht kreisrunden Querschnitt aufweist, bei dem sich zwischen Stützpunkten (43) eines Hüllkreises (48) mindestens ein Oberflächenabschnitt (42) ohne Krümmung oder mit anderer Krümmung als der Hüllkreis-Krümmung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der POD-Mantelglasschicht folgende Verfahrensschritte umfasst:
(a) Erzeugen einer POD-Füllschicht (47) aus Quarzglas mit einer Fluor- Nominalkonzentration auf dem Oberflächenabschnitt (42), unter Ausbildung eines beschichteten Substratkörpers (51 ) mit kreisrundem Querschnitt mit einem Radius, der mindestens so groß ist wie der Radius des Hüllkreises (48), und
(b) Abscheiden einer im Querschnitt kreisringförmigen POD-Hüllglasschicht (49) aus fluordotiertem Quarzglas auf dem beschichteten Substratkörper (51 ).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der POD-Füllschicht (47) auf dem Oberflächenabschnitt gemäß Verfahrensschritt (a) folgende Verfahrensschritte umfasst:
(aa) Abscheiden einer POD-Vorläuferschicht (44) aus dem Quarzglas mit der Fluor-Nominalkonzentration auf dem Oberflächenabschnitt (42),
(bb) Abtragen den Hüllkreis (48) überragender Bereiche der POD- Vorläuferschicht (44) unter Ausbildung des beschichteten Substratkörpers (51 ) mit kreisrundem Querschnitt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abscheiden der POD-Vorläuferschicht (44) gemäß Verfahrensschritt (aa) der Substratkörper (2) um die Längsachse (4) kontinuierlich rotiert wird, um eine den Zylindermantel des Substratkörpers (2) ringförmig umschließende, umlaufende POD-Vorläuferschicht (44) abzuscheiden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die POD- Vorläuferschicht gemäß Verfahrensschritt (aa) ausschließlich oder überwiegend auf dem Oberflächenabschnitt erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahrensschritt (bb) alle den Hüllkreis (48) überragenden Bereiche der
POD-Vorläuferschicht (44) abgetragen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substratkörper (2) eingesetzt wird, der in Richtung seiner Längsachse (4) gesehen einen polygonalen, insbesondere quadratischen, recht- eckigen, 6-eckigen oder 8-eckigen Querschnitt aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ecken des Polygons auf dem Hüllkreis (48) liegen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper (2) in Richtung seiner Längsachse (4) gesehen mindestens einen Bereich mit D-förmigem Querschnitt aufweist.
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