DE2730346A1 - Verfahren zur herstellung von optischen fasern - Google Patents
Verfahren zur herstellung von optischen fasernInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern mit geringen ÜbertragungsVerlusten
für die Verwendung in optischen Nachrichtenübermittlungssystemen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Vor formlinge, der aus einem Glaskern und einer Glasummantelung besteht, wobei der Vorformling durch Abscheidung
der Reaktionsprodukte einer chemischen Dampfphasenreaktion erhalten wurde und anschließend erhitzt und gezogen wird, um
optische Glasfasern zu bilden.
Dieses besondere Verfahren besitzt gewöhnlich den Vorteil, daß optische Fasern mit geringen Übertragungsverlusten erhalten
werden, d.h., Fasern ohne übermäßige Schwächung bzw.Dämpfung des Lichtes. Dies beruht darauf, daß sämtliche Maßnahmen von
der Erzeugung der Dämpfe der Glasmaterialien bis zur Bildung der Glaskernschicht in einem geschlossenen System durchgeführt
werden, mit dem Ergebnis, daß der Zusatz von Wasser und anderen Verunreinigungen zu dem Glas vermieden wird. Die beiliegende
des erfindungsgemäßen Verfahren zur Abscheidung der Glasmaterial
i en aus der Dampfphase. Nachfolgend soll jedoch zuerst das übliche Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus der
Gasphase mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden, um die Nachteile und Schwierigkeiten darzulegen, welche mit dem
bislang üblichen Verfahren verbunden sind.
In dem Gasgenerator 1o ist ein erstes flüssiges Ausgangsmaterial
enthalten, nämlich Siliciumtetrachlorid (SiCl4). Durch den Generator 10 perlt ein Trägergas, nämlich Argon (Ar) hindurch,
um aus der Flüssigkeit Damp !aufzunehmen. Die Trägergasmenge
wird durch den Dampfdruck der Flüssigkeit bei der entsprechenden Temperatur der Flüssigkeit und vom Durchsatz des
Trägergases bestimmt. Das mit gasförmigem Ausgangsmaterial beladene Argon wird durch eine Leitung in den rohrförmigen
Reaktor 20 eingebracht. Der Reaktor 20 besteht aus einem Quarzglasrohr, das in dem Vorformling als Ummante lungs glas schicht
verwendet wird. Der Vorformling besteht hauptsächlich aus Siliciumdioxid (SiO2) und enthält wenigstens ein Dotierungsmittel
zur Regelung des Brechungsindex von dem Quarzglas bzw. Siliciumdioxidglas.
Aus einem zweiten (nicht dargestellten) Generator wird ein gasförmiges zweites Ausgangsmaterial, das als Dotierungsmittel
dient, wie etwa Germaniumtetrachlorid (GeCl.) gemeinsam
mit dem ersten gasförmigen Ausgangsmaterial in den Reaktor eingeführt. Auch hierzu läßtpian Argen als Trägergas
durch den zweiten Reaktor hindurchperlen, wie das mit Bezugnahme auf den Reaktor 10 erläutert ist. Weiterhin wird Sauer-
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stoff (O2) als reaktionsfähiges Gas in den Reaktor 20 eingeführt. Natürlich können in einigen Fällen die gasförmigen Ausgangsmaterialien auch in einem Gasgenerator erzeugt werden, in
dem ein Gemisch der flüssigen Ausgangsmaterialien enthalten ist, wobei das Trägergas durch dieses Gemisch hindurch perlt.
Der Reaktor 20 ist auf einer Drehvorrichtung befestigt, wie sie zur Herstellung von Glasprodukten bekannt ist; diese Drehvorrichtung rotiert mit vorgegebener Geschwindigkeit.Während
der Reaktor rotiert, wird dessen Außenfläche teilweise mit einem Brenner 30 erhitzt, etwa mit einem Brenner mit Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme; die erhitzte Zone wird in axialer
Richtung längs des rohrförmigen Reaktors verschoben.Auf diese Weise wird eine lokale Zone der Reaktoroberfläche erhitzt, und
diese Zone wird spiralförmig rund um den Umfang des Reaktors und über dessen Länge verschoben.
Die in den rohrförmigen Reaktor eingebrachten Ausgangsmaterialien reagieren dort mit dem zugeführten Sauerstoff und bilden
"Soot";unter "Soot" werden feine Glasteilchen verstanden, die im wesentlichen aus Siliciumdioxid bestehen und in geringeren
Mengen das Dotierungsmittel Germaniumdioxid enthalten. Die gebildeten Soot-Teilchen werden daraufhin an der Innenwand des
Reaktors niedergeschlagen in einem Bereich der benachbart und vor der Stelle liegt, wo der Soot erzeugt worden ist; d.h., in
einem Bereich, der noch nicht von der Flamme erhitzt worden ist.
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Die Soot-Menge oder die Dicke der Soot-Schicht pro Flächeneinheit
der Innenfläche des Reaktors hängt hauptsächlich von deniiachfolgenden
Faktoren ab:
Dem gesamten Durchsatz an Gasen, welche pro Flächeneinheit des Reaktorquerschnittes durch den Reaktor
hindurchgeführt werdetA); und
dem gesamten Durchsatz an gasförmigem Ausgangsmaterial und Trägergasen, die pro Flächeneinheit des Reaktorquerschnittes
durch den Reaktor hindurchgeführt werde^B).
Das bedeutet, sofern der Durchsatz (B) erhöht wird, während der Durchsatz (A) auf einem konstanten Wert gehalten wird, dann
steigt dadurch die in Form von Soot anfallende Menge an Oxiden; im Ergebnis wird dadurch die Dicke der Soot-Schicht erhöht.
Wird andererseits der Durchsatz (A) gesteigert zusammen mit einer entsprechenden Steigerung der zugeführten Menge Sauerstoff,
während gleichzeitig der Durchsatz (B) auf einem konstanten Wert gehalten wird, dann breitet sich dadurch der Niederschlagsbereich
des gebildeten Soots nach vorne aus, so daß im Ergebnis die Dicke der Soot-Schicht vermindert wird.
Der niedergeschlagene Soot wird auf hohe Temperaturen im Bereich von 1900 bis 20000C mittels der Flamme des Brenners, der
an die Stellen bewegt wird, wo der Soot bereits niedergeschlagen ist, erhitzt; hierdurch schmilzt der Soot zusammen und bildet
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ein Glas. Im Vergleich zu der Soot-Schicht weist die gebildete Glasschicht eine verminderte Dicke auf. Bas Ausmaß der Aufheizung
durch die bewegte Flamme hängt vom Gasdruck der Sauerstoff-Wasserstoff
-Flamme und von der Verschiebungsgeschwindigkeit dieser Flamme ab. D.h., sofern die Verschiebungsgeschwindigkeit
bei konstant gehaltenem Gasdruck erhöht wird, verringert sich die einer lokalen Zone des rohrförmigen Reaktors zugeführte
Wärmeenergie. Sofern andererseits bei konstant gehaltener Verschiebungsgeschwindigkeit der Gasdruck gesteigert wird, erhöht
sich die einer lokalen Zone des Reaktors zugeführte Wärmeenergie.
Sofern die einer lokalen Zone des Reaktors zugeführte Wärmeenergie
über ein bestimmtes Maß hinausgeht, erweicht das der Flamme ausgesetzte Glas des Reaktors, bevor der Soot innerhalb
des Reaktors völlig aufgeschmolzen ist. Dies führt zu Deformationen des Reaktors und/oder dazu, daß Gase aus der Flamme
als Verunreinigungen indas Reaktorglas eindringen. Da das Glasrohr
des rohrförmigen Reaktors als Ummantelungsschicht des Vorformlings
verwendet werden soll, soll eine solche Verunreinigung naturgemäß vermieden werden.
Sofern die zugeführte Wärmeenergie lediglich geringfügig über das vorgegebene Maß hinausgeht, jedoch ausreicht, um die Ausgangsmaterialien
zu oxidieren, wird eine vollständige Glasbildung des niedergeschlagenen Soots nicht erreicht. Der Gasdruck
der Flamme und die Verschiebungsgeschwindigkeit des Brenners
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müssen deshalb so aufeinander eingestellt werden, daß die dem Quarzglasreaktor zugeführte Wärmemenge ausreicht, um eine vollständige
Glasbildung der niedergeschlagenen Soot-Schicht zu gewährleisten, sofern eine vollständige Oxidation erreicht ist;
andererseits darf der Reaktor nicht beschädigt werden.
Beim üblichen Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase werden die nachfolgenden Maßnahmen vorgesehen. Die
Flamme wird längs des Reaktors von dessen Einlaßende zu dessen Auslaßende bewegt, was zur Bildung von Soot führt; der Soot
schlägt sich über die gesamte Länge rund um den Umfang der Innenfläche des Reaktors nieder; anschließend wird die Glasbildung
der Soot-Schicht durchgeführt. Im Ergebnis wird eine erste Schicht eines Glaskernes des Vorformlings erhalten. Anschließend
wird der Brenner ausreichend rasch zu dem Einlaßende des Reaktors zurückgeführt, um dem Reaktor im wesentlichen
keine Energie zuzuführen. Danach wird, wie oben angegeben, die Flamme erneut zum Auslaßende des Reaktors verschoben, um eine
zweite Schicht des Glaskernes auf der Oberseite der ersten Schicht auszubilden. Während das Zuführen der Ausgangsmaterialien
gemeinsam mit dem Trägergas kontinuierlich weiter durchgeführt wird, werden die beschriebenen Verschiebungen der Flamme
wiederholt, um im Ergebnis einen Glaskern zu erhalten, der aus einer Vielzahl von Glasschichten mit jeweils vorgegebener konstanter
Dicke besteht; dieser Glaskern ist auf der gesamten Innenfläche des Reaktors ausgebildet.
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Aue diesem hohlen Reaktor mit dem erhaltenen Glaskern wird
anschließend ein Vorformling hergestellt. Hierzu wird die gesamte Außenfläche des Reaktors erhitzt und der Reaktor gezogen, bis der längliche Hohlraum des Reaktors kollabiert. Dadurch wird ein Vorformling erhalten, der aus einem festen Glaskera besteht, welcher von einer Glasummantelung umgeben ist.
Dieser Vorformling wird später erhitzt und gezogen, um eine endlose optische Faser zu ergeben, die aus einem Glaskern und
einer Glasummantelung besteht.
Sofern das übliche Verfahren wie oben angegeben, durchgeführt
wird, besteht eine Beschränkung hinsichtlich der Schichtdicke des Glaskernes, die bei jeder Verschiebungsoperation der Flamme
erhalten werden kann, sofern ein Glaskern von hoher Qualität angestrebt wird. Es wäre natürlich möglich, die Schichtdicke
jeder niedergeschlagenen Soot-Schicht zu erhöhen, in dem der Durchsatz an Ausgangsmaterial und Sauerstoff erhöht würde, und
durch eine verzögerte Flammenbewegung eine erhöhte Wärmeenergiemenge zugeführt würde, so daß auch eine vollständige Glasbildung
der Soot-Schicht mit der erhöhten Schichtdicke erreicht würde. In einem solchen Falle weist die erhaltene Glasschicht jedoch
so viele Fehlstellen bzw. Fehler auf, daß deren Qualität für die Verwendung bei der optischen Nachrichtenübermittlung nicht
auereicht. Sofern der Glaskern des Vorformlings zahlreiche Fehler aufweist, besteht die Gefahr, daß beim Ziehen des Vorformlings zur Glasfaser die Faser bricht. Weiterhin sind in einem
solchen Falle die Lichtverluste der Faser hoch. Es ist deshalb
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erforderlich, für jeden Durchgang die Schichtdicke jeder niedergeschlagenen
Soot-Schicht auf einem kleinen Wert zu halten, um einen Glaskern ohne irgendwelche Fehler zu erhalten. Dies erfordert
natürlich, zur Herstellung eines Vorformlings mit einem Glaskern vorgegebener Dicke die Verschiebung der Flamme oftmals
zu wiederholen, bei verminderten Durchsätzen an Ausgangsmaterialien.
In der Praxis wird ein rohrförmiger Reaktor mit einer länge von
ungefähr 40 cm verwendet, und die Säuerstoff-Wasserstoff-Flamme
wird mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5 cm/min verschoben, um bei jeder Verschiebungsoperation der Flamme innerhalb des Reaktors
eine Glaskernschicht mit einer Dicke von angenähert 10 /un
zu erhalten.
In diesem Falle werden die Durchsätze der in den Reaktor eingeführten
Gase auf einem niedrigen Wert gehalten, so daß eine verminderte Schichtdicke für jede Soot-Schicht erhalten wird,
und jede Glaskernschicht die vorgegebene Dicke aufweist. Wenn beispielsweise 8 min für jeden Verschiebungsvorgang der Flamme
erforderlich sind, und diese Verschiebungsoperation mehrmals wiederholt werden muß, um einen Glaskern mit vorgegebener Dicke
zu erhalten, ist eine relativ lange Zeitspanne von beispielsweise 400 min erforderlich , um einen Glaskern zu erzeugen.
Im Hinblick auf obige Darlegungen besteht seitens der Fachwelt
ein lebhaftes Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren,um bei
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jeder Verschiebung der Flamme eine Glaskernschicht von hoher
Qualität mit deutlich erhöhter Sicke im Vergleich zum üblichen Verfahren zu erhalten. Ein solches Verfahren hätte den Vorteil,
daß die Anzahl der Flammenverschiebungen sowie die zur Ausbildung des fertigen Glaskerns erforderliche Zeitspanne beträchtlich
herabgesetzt werden könnte, verglichen mit dem üblichen Verfahren.
Eine solche Verbesserung würde naturgemäß auch zur Einsparung an Kosten für die Herstellung eines Vorformlings führen.
Im allgemeinen ist ein Verfahren zur Ausbildung eines Vorformlings
durch eine Niederschlagsreaktion aus der Gasphase für die Massenherstellung solcher Vorformlinge nicht gut geeignet.
In dieser Hinsicht wäre es vorteilhaft, ein Quarzglasrohr von größerem Außendurchmesser mit einer größeren Dicke zu
verwenden, sofern der Reaktor später die Glasummantelung abgibt. Im wesentlichen beruht das darauf, daß gegenüber einem Rohr mit
kleinerem Außendurchmesser und gleicher Länge die Länge der aus einem Vorformling ziehbaren optischen Faser größer ist, wenn anstelle
eines kleineren Rohres ein größeres Rohr verwendet wird. Um jedoch eine Glasfaser mit gleichbleibenden Abmessungen zu
erhalten, müssen die Querschnittsanteile von Glaskern und Glasummantelung gleich gehalten werden, so daß im Vergleich mit
einem Vorformling mit kleinerem Außendurchmesser bei einem Vorformling, der aus einem größeren rohrförmigen Reaktor erhalten
worden ist, auch für die Glaskernschicht eine größere Dicke vorgesehen werden muß. Bei einer Erhöhung der Dicke des rohrförmigen
Reaktors besteht jedoch die Gefahr einer Deformation des Reak-
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tors, bevor die Glasbildung der niedergeschlagenen Soot-Schicht erreicht ist. Diese Gefahr steigt an, sofern die Dicke jeder
niedergeschlagenen soot-Schicht erhöht wird. Diese Gefahr könnte naturgemäß auch verhindert werden, wenn die Realisierung des angestrebten
Verfahrens möglich wäre.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes
Verfahren zur Herstellung einer Glaskernschicht von hoher Qualität anzugeben, wobei pro FlammenverSchiebung eine
höhere Schichtdicke erhalten wird.
In ihrer allgemeinsten Form besteht die erfindungsgemäße Lösung
dieser Aufgabe darin, daß bei der Herstellung eines Vorformlings durch Niederschlag aus der Gasphase die Glasbildung der
Soot-Schicht, die durch Oxidation der gasförmigen Ausgangsmaterialien erhalten wurde, in einer Atmosphäre aus einem
inerten Gas durchgeführt wird, welche leicht von dem geschmolzenen Glas gelöst wird; bei diesem inerten Gas kann es sich um
ein Edelgas handeln; vorzugsweise wird Helium verwendet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der Soot aus Siliciumdioxid, dem ein erstes
Dotierungsmittel zur Steigerung des Brechungsindex von Siliciumdioxid zugesetzt ist, sowie ein zweites Dotierungsmittel zur
Erniedrigung der Glasbildungstemperatur von Siliciumdioxid bzw. von diesem Soot.
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Vorzugsweise besteht das erste Dotierungsmittel aus Germaniumdioxid und das zweite Dotierungsmittel aus Phosphorpentoxid.
Torzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in der nachfolgenden Form durchgeführt:
Man läßt ein Trägergas durch die flüssigen Ausgangsmaterialien hindurchperlen, um gasförmiges Ausgangsmaterial zu erzeugen;
diese gasförmigen Ausgangsmaterialien werden gemeinsam mit dem Trägergas in einen rohrförmigen Reaktor aus Quarzglas eingebracht ;
in diesen Reaktor wird weiterhin als reaktionsfähiges Gas Sauerstoff eingebracht;
eine lokale Zone dieses Reaktors wird erhitzt, und diese erhitzte Zone wird in Längsrichtung des Reaktors auf dessen Auslaßende zu bewegt, wodurch die Ausgangsmaterialien mit dem Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden, um Soot zu bilden, der sich
in Form einer Schicht auf der Innenfläche des Reaktors niederschlägt, und um die Glasbildung der aufgebrachten Soot-Schicht
durchzuführen, wozu dieser Soot zusammengeschmolzen wird. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Verbesserung vorgeschlagen,
unabhängig von dem Trägergas ein inertes Gas in den Reaktor einzuführen, welches leicht von dem geschmolzenen Glas gelöst wird.
Vorzugsweise wird der Durchsatz an Sauerstoff auf einem möglichst niedrigen Wert gehalten, der jedoch zur Reaktion mit den gas«·
förmigen Ausgangsmaterialien ausreicht; weiterhin wird der Durchsatz des Gasgemisches, bestehend aus den Ausgangsmaterialien,
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" 1β - 27303m;
Sauerstoff, Trägergas und zusätzlichem inerten Gas dahingehend geregelt, daß eine Soot-Schicht mit vorgegebener Dicke erhalten
wird.
Die nachfolgenden Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen zur Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken;
weiterhin wird über einen Vergleich mit dem üblichen Verfahren berichtet. In der nachfolgenden Tabelle I sind die Reaktionsbedingen
für zwei Vergleichsverfahren sowie eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt. Der
Vergleichsversuch I bezieht sich auf das übliche Verfahren zur chemischen Niederschlagung aus der Dampfphase, wobei als Reaktor
ein Quarzglas mit einer Länge von 40 cm und einem Außendurchmesser von 20 mm verwendet wird; auf der Innenfläche dieses Reaktors
wird ein Glaskern von hoher Qualität erzeugt. In Tabelle I sind jeweils die wichtigsten Reaktionsbedingungen für die Kiederechlagung
aus der Gasphase gem. dem bekannten Verfahren (Vergleichsversuch I) sowie gem. einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens (Beispiel I) aufgeführt. Beim Beispiel I wird ein rohrförmiger Reaktor der gleichen Art mit
gleichen Abmessungen wie beim Vergleichsversuch I verwendet; auch in diesem Falle wird auf der Innenfläche des Reaktors eine
Glaskernschicht von hoher Qualität durch Verschiebung der Flamme erhalten, wobei die gleiche Verschiebungsgeschwindigkeit wie
beim Vergleichsversuch I vorgesehen ist. Weiterhin sind in der Tabelle I die Versuchsbedingungen für einen Vergleichsversuch II
aufgeführt. Im Vergleichsversuch II wird ebenfalls ein rohr-
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förmiger Reaktor der gleichen Art mit den gleichen Abmessungen
wie beim Vergleichsversuch I verwendet; es wurde eine (Jlaskernschicht
von schlechterer Qualität, jedoch mit der gleichen Schichtdicke wie beim erfindungsgemäßen Beispiel I durch die
Verschiebung der Flamme erzeugt, wobei die gleiche Verschiebungsgeschwindigkeit wie beim Vergleichsversuch I vorgesehen ist,
') fl B ? / 1 f) Π 8
Vergleichs- erf.
versuch I Beispiel 1
versuch I Beispiel 1
Vergleichsversuch II
Durchsatz an gasförmigem SiCl.
Durchsatz des Gasgemisches, bestehend aus GeCl. und Trägergas (Ar )
Durchsatz an Sauerstoff (Op) Durchsatz an Helium (He) Verschiebungsgeschwindigkeit der Flamme
Dicke der gebildeten Glasschicht pro
Flaminenver Schiebung Qualität der Glaskemschicht
cm5/min 300 cnr/min 300 cnr/min
cm /min
cm'/min
cm /min
cm /min
um
hohe Qualität
(ohne Fehler)
(ohne Fehler)
200 cm'/min
500 cm'/min
1500 cnr/min
5 cm /min
50 um
hohe Qualität
(ohne Fehler)
(ohne Fehler)
200 cnr/min
2000 cm /min
0 cm /min
5 cm /min
50
geringe Qualität (mit Fehlern)
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Die Maßnahmen der Vergleichsversuche I und II wurden in der gleichen Weise durchgeführt, wie sie oben mit Bezugnahme auf
die Zeichnung erläutert worden sind. Im wesentlichen wurden auch die Maßnahmen des erfindungsgemäßen Beispiels I in gleicher
Weise durchgeführt, lediglich mit der Abweichung, daß zusätzlich gasförmiges Helium in den Reaktor 20 eingeführt wurde, wie
das in der Zeichnung mit der gestrichelten Linie angedeutet ist. Die Reaktionsbedingungen des Vergleichsversuchs I waren dahingehend
ausgewählt, daß bei hoher Qualität der Schicht jeweils eine Gleskernschicht mit der größtmöglichen Dicke erhalten wurde.
Trotzdem wurde bei den Bedingungen des Vergleichsversuchs I pro Flammenverschiebung lediglich eine 10 ^im dicke Glaskernschicht
gebildet.
Die Reaktionsbedingungen des erfindungsgemäßen Beispiels I waren dahingehend ausgewählt, daß ein Glaskern von hoher Qualität
erhalten und wiederum unter den gewählten Bedingungen pro Flammenverschiebung eine möglichst große Schichtdicke der
Glaskernschicht erhalten wurde. Wie angegeben, konnte gegenüber dem Vergleichsversuch I eine fünfmal so große Schichtdicke pro
Flammenverschiebung erhalten werden. Wie ein Vergleich der Reaktionsbedingungen des Vergleichsversuch I mit dem erfindungsgemäßen
Beispiel I ergibt, kann unter den Bedingungen des Vergleichsversuchs I ein Glaskern von hoher Qualität lediglich dann
erhalten werden, wenn der Durchsatz des Gasgemisches, bestehend aus Siliciumtetrachlorid, Germaniumtetrachlorid und Trägergas
(Ar) lediglich ein Viertel des entsprechenden Durchsatzes beim erfindungsgemäßen Beispiel I beträgt,und der Durchsatz der Ge-
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samtheit aller Gase auf einen Wert von 1100 cm /min beschränkt
wird. In diesem Falle weist die niedergeschlagene Soot-Schicht, welche aus Siliciumdioxid und Germaniumdioxid besteht, lediglich
1/5 der Dicke der Soot-Schicht des erfindungsgemäßen Beispiels I auf; dadurch wird natürlich auch für jede Flammenverschiebung
eine Glaskernschicht mit entsprechend geringerer Schichtdicke gebildet. Mit dem Vergleichsversuch II sollen die Ergebnisse
dargelegt werden, wenn eine Soot-Schicht mit gleicher Schichtdicke wie beim erfindungsgemäßen Beispiel I niedergeschlagen
wird. Das bedeutet, für den Vergleichsversuch II wird für den Durchsatz des Gasgemisches, bestehend aus SiCl., GeCl. und Ar
der gleiche Wert wie beim erfindungsgemäßen Beispiel I vorgesehen; der Durchsatz der Gesamtmenge aller Gase wird bei 2500 cm5/min
gehalten, genauso wie beim erfindungsgemäßen Beispiel I.
Beim Vergleichsversuch II weist die nach der Glasbildung der
Soot-Schicht erhaltene Glaskernschicht so viele Fehler auf, daß dieser Glaskern für die optische Nachrichtenübermittlung nicht
eingesetzt werden konnte.
Aus einem Vergleich zwischen dem üblichen Verfahren entsprechend dem Vergleichsversuch I mit dem erfindungsgemäßen Beispiel I ist
die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung ersichtlich. Andererseits werden aus einem Vergleich des erfindungsgemäßen Beispiels
I mit dem Vergleichsversuch II die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich. Sowohl beim er-
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- 21 - 27 jÜ3 Ui
findungsgemäßen Beispiel I wie beim Vergleichsversuch II
wurden die gleichen Werte für die Verschiebungsgeschwindigkeit der Flammen, die Schichtdicken der niedergeschlagenen
Soot-Schichten und die Schichtdicken der Glaskernschichten, welche durch Glasbildung aus den Soot-Schichten erhalten wurden,
vorgesehen. Während jedoch der Glaskern des erfindungsgemäßen Beispiels I keine Fehler aufwies, zeigte das Produkt des Vergleichsbeispiels
II viele Fehler. Es wird deutlich, daß der Unterschied auf den nachfolgend dargelegten Ursachen beruht.
Beim Vergleichsversuch II betrug der Durchsatz an Sauerstoff 2000 cm /min; demgegenüber wurden beim erfindungsgemäßen Beispiel
I 500 cm /min Sauerstoff und 1500 cm /min Helium durchgesetzt, was im Ergebnis wiederum einen Gesamtdurchsatz von
2000 cm /min ergibt. Ein Durchsatz von 500 cm /min Sauerstoff ist stöchiometrisch ausreichend, um mit sämtlichen gasförmigen
Ausgangsmaterialien zu reagieren, die bei einem Durchsatz von 500 cm /min mit dem Trägergas herangeführt werden. Demgegenüber
wurden beim Vergleichsversuch II wesentlich höhere Sauerstoffmengen verwendet, nämlich 1500 cm /min Sauerstoff gegenüber
500 cm5/min Sauerstoff. Dieser überschüssige Sauerstoff wurde
verwendet, um einen Anstieg der Schichtdicke der niedergeschlagenen Soot-Schicht au verhindern. Demgegenüber wurde beim erfindungsgemäßen
Beispiel I anstelle von überschüssigem Sauerstoff Helium in der gLeichen Menge durchgesetzt entsprechend dem Sauerstoff
übe r-:u:hu;j beim VergLeichaversuch II. Dies horten tet, ilaü beim
7 is i
I 7 J ■ ·· :· ' ι-
Vergleichsversuch II die Zwischenräume innerhalb der niedergeschlagenen
Soot-Schicht von Sauerstoff und den Reaktionsprodukten der Oxidation, wie etwa Chlor (Cl2) besetzt wurden;
demgegenüber wurden beim erfindungsgemäßen Beispiel I diese Zwischenräume hauptsächlich von gasförmigem Helium besetzt.
Hierbei ist es wichtig, zu bedenken, daß Helium leicht von dem Glas gelöst wird, ohne daß zwischen beiden Partnern irgendeine
Reaktion stattfindet, wenn der Soot zur Glasbildung geschmolzen wird; die Auflösung von Helium in dem Glas beeinträchtigt
die optischen Eigenschaften des Glases nicht. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß das Helium, welches den ·
größten Teil der Zwischenräume in der niedergeschlagenen Soot-Schicht ausfüllt, aufgelöst wird und dadurch im Verlauf der
Glasbildung der niedergeschlagenen Soot-Schicht verschwindet. Als Folge werden die Zwischenräume, aus denen sich beim üblichen
Verfahren die Fehler im geschmolzenen Glas bilden, vermindert. Die verminderte Anzahl an Zwischenräumen in der niedergeschlagenen
Soot-Schicht werden nicht von geringen Mengen an sich nicht auflösenden reaktionsfähigen Gasen besetzt, vielmehr werden diese
Zwischenräume hauptsächlich mit Helium ausgefüllt, solange die Zwischenräume noch nicht verschlossen sind. Aus diesem Grunde
werden im Verlauf der Glasbildung die reaktionsfähigen Gase aus dem Inneren der niedergeschlagenen Soot-Schicht ausgeschlossen,
und leuhiLb Laßt sich die niedergeschlagene Soot-Schicht
zu eiriF!r t;.u:hr:u) Izenan illasschicht ohne FehLer umwandeln.
- 23 - 27303A6
Unabhängig ob obige Überlegungen zutreffen, ist aus der
Tabelle I ohne weiteres ersichtlich, daß das erfindungsgemäße
Verfahren zu erhöhten Vorteilen führt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung einer Atmosphäre aus gasförmigem Helium, in welcher die Glasbildung
der niedergeschlagenen Soot-Schicht durchgeführt wird, beschränkt. Anstelle von Helium können auch andere Edelgase
verwendet werden, die sich leicht in dem geschmolzenen Glas lösen und mit diesem nicht reagieren. In dieser Hinsicht kann
anstelle von Helium Argon (Ar) eingesetzt werden.
Argon wird üblicherweise als Trägergas verwendet, um die Ausgangsmaterialien,
wie etwa SiCl. und GeCl. in den Reaktor einzubringen.
Aus diesem Grunde könnte man davon ausgehen, das als Trägergas verwendete Argon anstelle von Helium zur Bildung
dieser Gasatmosphäre zu verwenden. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß dies nicht möglich ist. Weiterhin könnte man annehmen,
daß es nicht erforderlich wäre, den oben genannten Heliumzusatz vorzusehen, sofern bereits Helium als Trägergas
verwendet wird. Auch dies trifft nicht zu. Unabhängig von der Sorte des ausgewählten Gases wird der Durchsatz an Trägergas
lediglich auf einem solchen Wert gehalten, der erforderlich ist, um die Ausgangsmaterialien in gasförmigen Zustand überzuführen,
bevor sie in den Reaktor eingeführt werden. Um daher eine Atmosphäre
im rohrförmigen Reaktor vorzusehen, die hauptsächlich
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aus Helium oder Argon besteht, mit dem Ergebnis, daß der Anteil an reaktionsfähigen Gasen wie etwa Sauerstoff und Chlor
in den Zwischenräumen der niedergeschlagenen Soot-Schicht verringert wird, ist es erforderlich, eine getrennte Zuführung von
Helium oder Argon vorzusehen, unabhängig von dem verwendeten Trägergas. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform erläutert.
Bei diesem Beispiel wird ein reaktionsfähiges Gasgemisch verwendet,
welches die Ausgangsmaterialien, das Trägergas und Sauerstoff enthält; dieses Gasgemisch wird gemeinsam mit
Helium in einen rohrförmigen Reaktor aus Quarzglas eingeführt, welcher einen Außendurchmesser von 20 mm und eine länge von
40 cm aufweist; analog zu Beispiel 1 wird die Abscheidung aus der Gasphase und die Glasbildung des abgeschiedenen Produktes
durchgeführt. Die zugeführten Gase und deren Durchsatzmengen sind in der nachfolgenden Tabellen aufgeführt.
| + Ar | Tabelle II | * bezogen auf 300C | |
| + Ar | • | ||
| Gas | + Ar | ||
| He | Durchsatz | ||
| °2 SiCl4 |
500 cnr/min'* | ||
| GeCl4 | 1000 cnr/min 300 cm*/min |
||
| PCI | 350 cnr/min | ||
| 30 cm*/min - | |||
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Jedes Ausgangsmaterial wurde in gasförmigem Zustand aus einem
getrennten Gasgenerator zugeführt, wie er mit der Figur schematisch erläutert ist; hierzu ließ man Argon als Trägergas
durch das Gefäß mit dem flüssigen Ausgangsmaterial hindurchperlen und führte das mit dem Ausgangsmaterial beladene Trägergas
dem Reaktor zu. Während die Gase in den Reaktor eingeleitet wurden , wurde dieser mittels einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme
aus einem Brenner erhitzt; der Brenner wurde mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/min verschoben, wie das oben mit Beispiel 1
angegeben wurde. Im Ergebnis wurde pro Flammenverschiebung jeweils eine Glasschicht mit einer Schichtdicke von ungefähr 40 um
erhalten. Die Flammenverschiebung wurde 50mal wiederholt, und daraufhin ließ man den rohrförmigen Reaktor mit der darin ausgebildeten
Glaskernschicht kollabieren, um einen festen Vorformling zu erzeugen. In dem Vorformling hatte der feste Glaskern
einen Durchmesser von 10 mm. Der Vorformling wurde daraufhin erhitzt und gezogen, um eine optische Faser zu erzeugen.
Die erhaltene Faser hatte eine Länge von ungefähr 10 km, bei einem Außendurchmesser von 125 yaa und einem Kerndurchmesser
von 62,5 fun. Die numerische Apertur der Faser betrug 0,20.
Der Glaskern der Faser bestand aus ungefähr 10% GeO2 (aus dem
GeCl.), ungefähr 1% PgOc (aus dem PCI,) und 89% SiO2 (aus dem
SiCl.). Im Verlauf der Flammenverschiebung trat keine Deformation des den Reaktor bildenden Quarzrohres auf. Am hergestellten
Glaskern wurden keine Fehler festgestellt. Bei diesem
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Beispiel II wurde GeO« als erstes Dotierungsmittel verwendet,
das dem SiO2 zur Erhöhung von dessen Brechungsindex zugesetzt
wurde, während P2 0S a^s zwei*es Dotierungsmittel diente, um
die Glasbildungstemperatur von SiO2 herabzusetzen.
Im Vergleich zum Vergleichsversuch I aus Tabelle 1 war die Dicke der nach dem erfindungsgemäßen Beispiel II erhaltenen
Glaskernschicht ohne Fehler 4mal so groß wie beim Vergleichsversuch I. Diese Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
beruhen auf einer Kombination der Anwendung des zweiten Dotierungsmittels, um die Glasbildung von Siliciumdioxid bei
niedriger Temperatur durchzuführen, und der Anwendung einer Heliumatmosphäre unter welcher die Dampfphasenreaktion zur
Abscheidung der Teilchen durchgeführt wird. Im Seispiel II war die Glasbildungstemperatur der niederges c hlagenen Soot-Schicht
auf etwa HOO0C abgesenkt. Diese niedrigere Glasbildungstemperatur
scheint die vorteilhafte Auswirkung des gasförmigen Heliums zu verstärken, da im Vergleich zum erfindungsgemäßen
Beispiel I Helium in einer verminderten Menge von 500 cm /min durchgesetzt und Sauerstoff in einer erhöhten Menge
von 1000 cnr/min durchgesetzt wurde. Entsprechend der vorliegenden
Erfindung weist die Soot-Schicht eine beträchtlich erhöhte Dicke aufr verglichen mit den Ergebnissen des üblichen Verfahrens,
In dieser Hinsicht ist es möglich, das nachfolgende Verfahren anzuwenden, anstelle der oben angegebenen Maßnahmen, wobei während
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jeder PlanmenverSchiebung die Soot-Bildung und die Glasbildung
durchgeführt wurden, d.h., es ist möglich, ein Verfahren durchzuführen, wobei in der ersten Stufe lediglich die 3)ot-Bildung
durchgeführt wird als Folge der wiederholten Flammenverschiebung und dadurch eine Vielzahl von Soot-Schichten erzeugt wird; anschließend wird in einer zweiten Verfahrensstufe die bis zu
einer vorgegebenen Schichtdicke aufeinandergeschichtete Soot-Schicht, beispielsweise bis zu einer Schichtdicke von 1 bis
1,5 mm, erhitzt, um die Glasbildung des Soots durchzuführen. Diese mögliche Ausführungsform der Erfindung ist mit weiteren
Kosteneinsparungen verbunden, verglichen mit dem üblichen Verfahren.
Hit obigen Beispielen der vorliegenden Erfindung ist lediglich
dargelegt worden, die Glaskernschicht auf der Innenfläche eines rohrförmigen Reaktors aufzubringen, wobei der Reaktor selbst
nach dem kollabieren als Glasummantelung dient. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch eingesetzt werden, um eine
ummantelung aus Glas zu erzeugen, welche den festen Glaskernstab umgibt, um dadurch einen Vorformling zu erzeugen, zu des- :'
sen Herstellung die Kollabierstufe nicht erforderlich ist.
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-3.8-
Leerseite
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern mittels einer chemischen Reaktion in der Gasphase,
wobei die Ausgangsmaterialien in der Gasphase oxidiert werden und Soot (feine Teilchen) auf einem Glassubstrat bilden, und
daraufhin der auf dem Substrat niedergeschlagene Soot einer Glasbildungsreaktion ausgesetzt wird,
München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl. Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phii.
Wiesbaden: P.G. Blumbach Dlpl.-lncfe· JLM'PfVP'A1 1PSh0WYttf' Zw'rner 01P1--"1* Dipl -W.-Ing.
ORIGINAL INSPECTED
27303AG
dadurch gekennzeichnet, daß der Soot zur Glasbildung in einer Atmosphäre aus inertem
Gras geschmolzen wird, das leicht von dem geschmolzenen Glas gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Helium ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Soot hauptsächlich aus Siliciumdioxid besteht, mit einem ersten Dotierungsmittel zur Erhöhung des Brechungsindex
von Siliciumdioxid, und mit einem zweiten Dotierungsmittel zur Erniedrigung der Glasbildungstemperatur
von Siliciumdioxid.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dotierungsmittel Germaniumdioxid ist, und
das zweite Dotierungsmittel Phosphorpentoxid ist.
5. Verfahren zur Herstellung optischer Pasern, wobei
wenigstens ein Trägergas durch flüssige Ausgangsmaterialien hindurch perlt, um gasförmige Ausgangsmaterialien zu erhalten;
diese gasförmigen Ausgangsmaterialien gemeinsam mit dem Träger-
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gas In einen rohrförmigen Reaktor aus Quarzglas eingebracht
werden,
in diesen Reaktor zusätzlich ein reaktionsfähiges Gras, nämlich
Sauerstoff, eingebracht wird,
der Reaktor in einer lokalen Zone aufgeheizt wird und diese Zone in Längsrichtung des Reaktors auf das Auslaßende des
Reaktors hin bewegt wird, und dadurch die gasförmigen Ausgangsmaterialien mit dem Sauerstoff zur Reaktion gebracht
werden, um soot (kleine Teilchen) in Form einer Schicht
auf der Innenfläche des Reaktors niedergeschlagen wird, und durch Zusammenschmelzen des Soots die Glasbildung der erhaltenen Soot-Schlcht durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet. daß
unabhängig von dem Trägergas ein inertes Gas in den Reaktor eingeführt wird, welches leicht von dem geschmolzenen Glas
gelöst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Durchsatz an Sauerstoff auf einen möglichst kleinen Wert
eingestellt wird, welcher für die Reaktion mit den gasförmigen Ausgangsmaterialien ausreicht, und
das Gasgemisch bestehend aus den gasförmigen Ausgangsmaterialien,
Sauerstoff, Trägergas und inertem Gas dahingehend geregelt wird, daß dessen Durchsatz die Bildung einer Soot-Schicht mit vorgegebener Dicke gewährleistet.
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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangsmaterialien aus Siliciumtetrachlorid, Germaniumtetrachlorid und FhosphortriChlorid bestehen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß
das inerte Gas Helium ist.
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