DE2741854A1

DE2741854A1 - Verfahren zur herstellung von optischen fasern

Info

Publication number: DE2741854A1
Application number: DE19772741854
Authority: DE
Inventors: Koji Ishida; Toshio Katsuyama; Shin Satoh; Tsuneo Suganuma; Mamoru Sugie; Gyozo Toda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1977-09-16
Publication date: 1978-03-23
Also published as: FR2364865B1; FR2364865A1; DE2741854B2; NL7710280A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern unter Ausnutzung einer chemischen Gasphasenrcaktion. Speziell richtet sie sich auf ein Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern mit ausgezeichneten Transmissionseigenschaften durch Unterdrückung eines Brechzahlabbaus in ihrem zentralen Teil, wie er eines der Probleme der Herstellung optischer Fasern unter Ausnützung einer chemischen Gasphasenreaktion ist.

Unter den Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern, die ein Ubertragungsmedium zur optischen Nachrichtenübermittlung bilden, haben die sogenannten CVD-Verfahren (CVD = chemical vapor deposition, englisch für Gasphasenabscheidung), bei welchen eine chemische Gasphasenreaktion ausgenutzt wird, so viele Vorzüge, daß sich optische Fasern mit jeder gewünschten Brechzahlverteilung herstellen lassen und optische Fasern mit niedrigem Ubertragungsverlusten erzielt werden können.

Unter den CVD-Verfahren ist das MCVD-Verfahren bekannt, bei welchem eine Hülle und ein Kern oder eine dünne Glasschicht, die als Kern dienen soll, auf der Innenwand eines Glasrohres aus Quarz oder dergleichen abgeschieden werden, das Glasrohr nachfolgend erhitzt wird, um seinen Hohlraum zum Zusammenfallen zu bringen, wobei sich die Vorform einer optischen Faser in Form eines Stabes ergibt, und die Vorform erwärmt und zu einer optischen Faser gezogen wird. Da die abgeschiedene Glasschicht neben beispielsweise SiC>2 eine Dotierung zur Steuerung der Brechzahl, wie B2O-3, TiC^, P2O5 und GeO₂, enthält, besteht eines der Probleme die-

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iß

ses MCVD-Verfahrens darin, daß die dom Glasfilm zugegeben··: Dotierung beim Erwärmen und Kollabieren des hohlen Glasrohres mit dem darin abgeschiedenen Glasfilm zu dem festen Stab verdampft. Die Verdampfung der Dotierung bringt ein Herabsetzen der Brechzahl im zentralen Teil der optischen Faser mit sich und hat nachteilige Folgen für ihre Ubartragungseigenschaften.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung optischer Fasern auf der Basis der MCVD-Technik wird ein Kern bzw. werden eine Hülle und ein Glasfilm für einen Kern mit vorgegebener Dicke unter Ausnützung einer chemischen Gasphasenreaktion auf der Innenwand eines Glasrohres abgeschieden. Nachfolgend wird das Glasrohr mit dem darauf befindlichen über die chemische Gasphasenabscheidung gewonnenen Gasfilm erhitzt und zum Zusammenfallen gebracht, so daß der hohle Abschnitt massiv wird und sich eine Vorform in Form eines Stabes ergibt. Die so gewonnene Vorform wird erwärmt und zu einer optischen Faser mit einem Außendurchmesser von ungefähr 100 Mikron gezogen. Im allgemeinen ist die Brechzahlverteilung in einem Querschnitt der optischen Faser ähnlich derjenigen in einem Querschnitt der Vorform. Beim Ziehen der Faser findet eine thermische Diffusion usw. des Dotierungsstoffes kaum statt. Der Abbau der Brechzahl im zentralen Teil der nach dem CVD-Verfahren hergestellten optischen Faser findet bereits beim Herstellen der Vorform statt. Die Absenkung der Brechzahl im zentralen Teil der optischen Faser läßt sich der Tatsache zuschreiben, daß, wie oben bemerkt, der Dotierungsstoff von der Oberfläche des Glases für den Kern im

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Verfahrensschritt des Erwärmens und Kollabicrens des hohlen Glasrohrcs nach dor chcnii aclicn Gasphasenabscheidung verdampft. Studien durch die Erfinder haben ergeben, daß die Verdampfung der Dotierung empfindlieh gegenüber der Erwärmunqstoünperatur während des Kollabierens und der Dichte des abgeschiedenen Glasfilms ist. Dies wird als Bestätigung dafür angesehen, daß die Dotierung von der Innenwand des der chemischen Gasphasenabscheidung unterworfenen hohlen G.lasrohres und bedingt durch das Aufwärmen während des Kollabieren.'; verdampft, und daß sie innerhalb des CVD-Glasfilms diffundiert.

Bei einem bekannten Verfahren der Kollabierung wird das hohle Glasrohr so in einen massiven Stab zum Zusammenfall gebracht, daß die Zufuhr eines Reaktionsgases in das Glasrohr mit der Beendigung der chemischen Gasphasenabscheidung gestoppt wird, und daß unter Einströmenlassen eines oxidierenden oder Inertgases in das Rohr oder nach dem Füllen des Inneren des Rohres mit dein Gas die Erwärmungstemperatur weiter angehoben v/ird. In diesem Fall hat der bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur der Gasphasenabscheidung unterworfene Glasfilm keine ausreichende Verdichtung durchgemacht. Wenn in diesem Zustand der Gasfilm unmittelbar auf die er- höhte Temperatur des Kollabierungsschritts angehoben wird, verdampft die Dotierung in großen Mengen und über einen ausgedehnten Bereich des CVD-Films. Die Folge ist, daß die nach diesem Verfahren gewonnene Vorform für die optische Faser eine ausgedehnte und beträchtliche Erniedrigung des Brechungsindex in ihrem zentralen Teil beinhaltet, mit der Folge nachteiliger Einflüsse auf die Ubertragungseigenschaften der daraus gezogenen opti-

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seilen Faser.

Bekannte! Vorfahren, die zu der Erfindung als Stand der Technik genannt werden können, finden sich in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen ^r>0-1203')2, 50-51338 und 51-36^r»0.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile bekannter Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, nach welchem sich optische Fasern mit ausgezeichneten Übertragungseigenschaften unter Vermeidung einer Herabsetzung der Brechzahl in ihrem zentralen Teil leicht herstellen lassen.

Dabei soll sich eine Vorform für die Produktion einer optischen Faser mit den oben genannten ausgezeichneten Ubertragungseigenschaften leicht herstellen lassen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren soll ferner zur Verbesserung der Brechzahlverhältnisse die Verdampfung einer Dotierung, welche beim Erwärmen und Kollabieren eines Glasrohres auftritt, unterdrückt und kompensiert werden, um so die optische Faser mit den ausgezeichneten Ubertragungseigenschaften zu erhalten. Ausgehend von der durch die Erfinder gefundenen Tatsache, daß die Verdampfung der Dotierung von der Erwärmungstemperatur während des Kollabierens eines hohlen Glasrohres mit darauf abgeschiedenem Glasfilm nach der chemischen Gasphasenabscheidung und außerdem von der Dichte des abgeschiedenen Gasfilms abhängig ist, wird erfindungsgemäß vor dem Erwärmen für das Kollabieren und während ein Verbindungsgas, mit welchem ein die Brechzahl des Glasfilms verstärkendes Oxid über die chemische Gasphasenabscheidung niedergeschlagen wird, durch das hohle Glasrohr mit dem darauf abgeschiedenen Gasfilm durchgeleitet wird, eine Wärme-

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behandlung durchgef ühi. i., um so den abgeschiedenen GLa:;-fi.lm zu verdichten und die· Verdampfung der Dotierung aus dem Komma terial zu ιιηί erdrücken und zu kompen:;.i crpi), mit der Absicht, die Herabsetzung der Brechzahl im zentralen Teil der VorFoi. ui der optischen F'isor und da-mit im zentralen Teil der optischen Faser selbst zu vermindern .

Im einzelnen umfaßt das erfindungsrjnm'iße Verfahren zur Herstellung einer optischen Faser i) das Abscheiden eines Glasfilms auf der Innenwand eines GIi sichres durch chemische Gasphasenreakilon, wobei der Glasfilm "ein Kern" oder "eine Hülle und ein Kern" der optischen Faser v/ird und eine gewünschte Brechzahl bzw. Brechzahlvorteilung hat, ii) das Erwärmen des Glasrohros nach Beendigung von i) auf eine hohe Temperatur, während dar. Gas einer Verbindung, welche sich in ein die Brechzahl des Glasfilms anhebendes Oxid umwandelt, in einer oxidierenden Atmosphäre bei der hohen Temperatur zusammen mit einem oxidierenden Gas durch das Glcisrohr geleitet wird, iii) Erwärmen und Kollabieren des Glasrohres nach Beendigung von ii) zur Erzielung einer massiven Vorform für eine optische Faser in der Form eines Stabes, und iv) Erwärmen und Ziehen der Vorform zu einer optischen Faser.

Bei der nach dem obigen Verfahren hergestellten optischen Faser ist die Verminderung der Brechzahl in ihrem zentralen Teil drastisch herabgesetzt und die übertragungseigenschaften, insbesondere die Ubertragungsbandbreite, der Faser sind merklich verbessert.

Wenn im Verf ahrenssohri Ll iii.) :las Erwärmen und Kollabieren in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Druck im Glasrohr durch Verschließen eines seinen" L'ndon

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und durch Einleiten eiiK.s Gasen in das Rohr vom anderen Endi! lior leicht, erhöht ist, v/ird dor Abbau der Brechzahl im zentralen Teil der zu gewinnenden optischen Faser weiter vermindert, wodurch ein noch günstigeres Ergebnis erreicht wird. Diene Maßnahme verhindert auch daß die Quernchnittsform der zu erhaltenden optischen Faser von der einen Kreises abweicht.

Der Verfahrensschi i.tt i) int auf dem einschlägigen Gebiet als eine Technik zur Herstellung optischer Fasern mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung bekannt.

Auch im Rahmen der Erfindung kann diese bekannte Technik so eingesetzt werden, wie sie ist. In diesem Fall wird üblicherweise al.<; das Glasrohr ein Quarzrohr verwendet. Hinsichtlich der in dem abzuscheidenden Glasfilm enthaitonen Dotierung ist es übliche Praxis Oxide von B, Ge, P, Ti, F, Ba, ΛΙ usw. einzeln oder in Kombination zu verwenden.

Die Erwärmungstemperatur im Verfahrensschritt ii) soll im Falle dor Verwendung des Quarzrohres in einem Temperaturbereich zwischen ungefähr 1400 bis 1500° C als mit einem optischen Pyrometer gemessener Wert liegen. Obwohl in diesem Vcrfahrensschritt ii) der Außendurchmesser des Glasrohres leicht abnimmt, unterscheidet er sich wesentlich vom Verfahrensschritt iii), mit welchem der hohle Teil des Glasrohres massiv gemacht wird. Wenn die Erwärmungstemperatur über dem angegebenen Temperaturbereich liegt, zeigt das Glasrohr unerwünnchterweise eine Neigung zu kollabieren. Liegt andererseits die Erwärmungstemperatur unterhalb dieses Bereiches, ist uuorwünschterweise die Verdichtung den abgeschiedenen Glanfilms unzureichend.

Als Wärmequelle im Verfahrennschritt ii) wird ein

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Brenner, insbesondere ein Sauerstoff-Wasserstoffbrenner, oder ein elektrischer Ofen vorwendet, wobei üblicherweise di.e im Verfahrensschritt i) verwendete Wärmequelle ohne jede Änderung weiter vorwendet wird. Dns Erwärmen b geschieht in der in Fig. 1 gezeigten Weise. Jm einzelnen heißt dies, daß, wahrend ein Glasrohr 2 gedroht wird (jede DrHirichtung ist gleichermaßen geeignet), eine Wärmequelle 3 in Richtung G (oder in Richtung G¹) bewegt wird. Wenn die Wärmequelle im Dereich des einen Endes des Glasroh]es angekommen ist (die Ankunftsposition ist nicht immer auf das Rohrende beschränkt, sondern kann eine beliebige sein) wird die Wärmequelle 3 in Richtung 6¹ (oder in Richtung 6) bewegt. Mit Rückkehr der Wärmequelle in die Ausgangsposition, wiederholt sieh ihre Bewegung in Richtung 6. Auf diese Weise wird unter Drehen des Glasrobres die Wärmequelle- so oft, wie zur Erwärmung des Glasrohres nötig, hin und her bewegt. Die Drehung des Glasrohres ist erforderlich, wenn die Wärmequelle ein Brenner ist, im Falle eines elektrischen Ofens ist sie jedoch nicht immer notwendig. Die vorgenannte Richtung G stimmt mit der Richtung des durch das Glasrohr strömenden Gases überein.

Die Drehgeschwindigkeit des Glasrohres wird üblicherweise auf 10 bis 60 Umdrehungen/min eingestellt.

Insofern als sie im Drehgeschwindigkeitsbereich liegt, der im bekannten Verfahrensschritt i) allgemein als möglich erachtet wird, ergeben sich daraus jedoch keine Probleme.

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmequelle in Richtung 6 im Verfahrensschritt ii) soll zwischen 1 und 5 mm/sec gewählt werden. Unterhalb 1 mm/sec wird eine unnötig lange Zeit benötigt, während oberhalb 5 mm/sec

die .Steuerung der Erwärmungstemperatur schwierig und daneben der Temperaturgradient zwi f.chen Außen- und Innenweite des Glasrohre^ groß wird, so daß beide Fälle nicht wünschenswert sind. Die Bewegungsgeschwindigkeit dor Wärmequelle in Richtung 6¹ soll auf 10 mni/sec oder mehr festgesetzt werden. Bei einer Geschwindigkeit unter 10 mm/sec besteht unerwünschterweise die Gefahr einer Ausscheidung der Dotierung.

Die Anzahl der Hin- und Hergänge bezüglich des Gla.srohres im Verfahrensschritt ii) soll 10 oder kleiner als 10 sein. Selbst bei einer geringen Anzahl von Hin- und Hergängen ergibt sich eine nennenswerte Wirkung gegenüber einem Fall, wo der Verfahrensschritt ii) nicht ausgeführt wird. Wenn die Anzahl der Hin- und Hergänge 10 überschreitet, besteht jedoch unerwünschterweise die Neigung, daß die Kompensation des verdampften Dotierungsstoffes übermäßig wird, üblicherweise sind 3 bis 10 Hin- und Hergänge besonders günstig.

Bei dem im Verfahrensschritt ii) verwendeten Verbindungsgas kann es sich um irgendeines handeln, das dazu verwendet wird, den Brechungsindex eines Glasfilms bei den bekannten Verfahren der Herstellung optischer Fasern unter Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidung anzuheben. Beispielsweise können GeCl^, PCI3, POCl^, TiCl_-J, AICI3 usw. verwendet werden. Sie können einzeln oder im Gemisch eingesetzt werden.

Als oxidierendes Gas im Verfahrensschritt ii) wird Sauerstoff verwendet. Seine Strömungsgeschwindigkeit im Glasrohr kann in dem Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten liegen, wie sie in den bekannten Verfahren zur Herstellung optischer Fasern unter Verwendung der Gasphasenabscheidung angegeben sind.

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Um das Verbindungsgas in das Glasrohr strömen zu lasten, kcinn Sauers tof f. in die bei ungefähr 20° C in einem Gasspülor (bubbler) enthaltene flüssige Verbindung eingeblasen und ein Gasgemisch aus der Verbindung und Sauerstoff Jn das Glasrohr Gingeführt werden.

In diesem Fall soll die eingeblasene Sauerstoffmenge 1 bis 10 ccm/min betragen, wenn der Innendurchmesser des Glasröhren 12 mm beträgt und wenn GeCl.

verwendet v/ird. Dei Abweichung des Innendurchmessers des Glasrohres von 12 mm kann die Mengt: des e i ngeblasenen Sauerstoffs entsprechend dem Innendurchmesser erhöht oder vermindert v/orden. Wenn die Temperatur der Vorbindungsflüssigkeit im Gasspülor nicht 20° C beträgt, kann die

Ti Menge des einzublasenden Sauerstoffs umgekehrt proportional zum Dampfdruck der Verbindung bei der herrschenden Temperatur vermindert oder erhöht werden. Beträgt die Menge des eingeblasenen Sauerstoffs unter 1 ccm/min, ist die Wirkung unzureichend, liegt sie oberhalb 10 ccm/min, wird die Kompensation der aus dem Glasfilm verdampften Dotierung übermäßig, so daß beide Fälle nicht erstrebenswert sind.

Bei der im Verfahrensschritt iii) verwendeten Wärmequelle kann es sich um eine der bei der Erläuterung des Verfahrensschritts ii) erwähnten handeln, wobei üblicherweise die gleiche WärmequelIe wie im Verfahrensschritt ii) verwendet wird. Das Erwärmungsverfahren im Verfahrensschritt iii) ist dem im Verfahrensschritt ii) ähnlich. Jedoch soll die Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmequelle in der einen Richtung 0,05 bis 1 irm/sac betragen und in der anderen Richtung schnell sein, um ein Kollabieren zu verhindern. Die Anzahl der Hin- und Hergänge soll zwei oder

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mehr, vorzugsweise zwei oder drei botragen. Liegt die Bewegungsguschwindigkeit unter 0,05 uini/sec, dann ist die benötigte Zeit lang, was unprakLisoli ist. Liegt sie oberhalb 1 mm/sec, dann besteht die Gefahr, daß das Kollabieren unzureichend wird. Deshalb sind beide Fälle nicht erstrebenswert.

Wenn das Erwärmen und Kollabieren durch einen einzigen Hin- und Hergang angestrebt wird, besteht unerwiinschterwei.se die Neigung, daß die Querschnittsform der erhaltenen Vorform für die optische Faser von der eines Kreises abweicht. Die Anzahl der Hin- und Hergänge kann zwar groß sein, zwei bis drei sind aber üblicherweise zufriedenstellend, und vier oder mehr sind unwirtschaftiich.

Die Erwärmungstemperatur im Verfahrensschritt iii) soll im Falle der Verwendung eines Quarzrohres in einem Temperaturbereich zwischen ungefähr 1550 und 1650° C als mit einem optischen Pyrometer gemessener Wert liegen. Wenn die Erwärmungstemperatur oberhalb dieses Temperaturbereichs liegt, kommt es zu einem Kollabieren und Zusammenschmelzen des Glasrohres durch nur eine einzige Bewegung der Wärmequelle. Der Nachteil, der sich aus einem solchen Fall ergibt, bei welchem das Glasrohr im Zuge eines einzigen Hin- und Hergangs kollabiert, ist der vorhin genannte. Liegt die Erwärmungstemperatur unterhalb dieses Temperaturbereichs, dann wird unerwünschterweise das Kollabieren und Zusammenschmelzen des Glasrohres oftmals schwierig.

Als in das Glasrohr im Verfahrensschritt iii) eingeführtes Gas wird Sauerstoff verwendet. Die anderen Punkte im Verfahrensschritt iii) sind die gleichen wie im Verfahrensschritt ii).

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In dom Fall, v.o < ■ :; Erwärmen und Kollabieren im Vo rf ahrensschri 11 j Ji) mit leicht angehobenem !Iniiondruck des Glasrohre :■ durohgc \. ührt wird, soll der Druck ρ (kp/cin² ) dos Sauerstoff im Glasrohr auf einen Wort eingestellt werden, dor sich aus dor folgenden Gleichung berechnet:
P = k/r

wobei r 1/2 des Innendurchmessers (cm) dos Rohres bezeichnet, und k eine Konstante ist. Dur Wort dor Konstanten soll zu 7,5.10~⁴ (kp/cm) oder kleiner aemacht werden und wird üblicherweise auf ungefähr G.10 eingestellt. Wenn der Wert der Konstanten k 7,5.10""'* überschreitet, zeigt das Glasrohr nachteili.gorwei.se eine Neigung zum Ausbeulen. Die Wärmequelle wird mit einer Geschwindigkeit von 0,05 bis 1 mm/see in Richtuncf 6¹, und, zur Verhinderung des Kollabierens, rasch in Richtung G bewegt.

Der Verfahrensschritt iv) ist in der Technik zur Herstellung optischer Fasern durch Erwärmen und Ziehen einer Vorform der optischen Faser bekannt. Auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die bekannte Technik, so wie sie ist, angewandt werden. Nötigenfalls kann ein Ziehverfahren, welches in der US-Patentanmeldung 7 44 454 und der deutschen Patentanmeldung P 26 53 836.3-45 beschrieben ist, herangezogen werden.

Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten optischen Faser ist, wie oben ausgeführt, die unerwünschte Herabsetzung der Brechzahl im zentralen Teil der Faser drastisch vermindert.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

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Fig. 1, welche bereits erwähnt, wurde, eine Schnittancicht zur Erläuterung der wesentlichen Teile einer Vorrichtung zur Herstellung von optischen Fasern, wie sie für bekannte Verfahren ali; auch für das erfindungsgemäße Verfahren

verwendet wird,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Brechzahlprofils über einen Querschnitt einer optischen Faser, wie es bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhal

ten wird,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Brechzahlprofils über einen Querschnitt einer optischen Faser, wie es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erhalten wird, und

Fign. 4-6 graphische Darstellungen, die Brechzahlprofile über Querschnitte von nach bekannten Verfahren erhaltenen optischen Fasern zeigen. BEISPIEL· 1;

Fig. 1 ist eine Darstellung zur Erläuterung der wesentlichen Teile einer Vorrichtung, die bei bekannten Verfahren zur Herstellung optischer Fasern unter Ausnutzung der MCVD-Technik verwendet worden ist. Auch im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren kann die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung so verwendet werden, wie sie ist. Im folgenden wird das Herstellungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Ein Quarzrohr (mit einem Außendurchmesser von 14 mm, einer Wandstärke von 1 nun und einer Gesamtlänge von 120 era) wurde als ein hohles Glasrohr 2 verwendet (neben Quarzrohren werden gewöhnlich Vycor-Rohre usw. verwendet). Während es auf einem Drehbett mit einer Geschwindigkeit von 4 0 Um-

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drehungen/niin in Richtung dos Pfeiles 4 (oder in die entgegen^·, -setzte Richtung) gedreht wurde, wurde ein Gas zur Bildung einer; G Las film.'.-· In Richtung des Pfeiles 1 in das Qunrzrohr eingeleitet und eine außen vorgesehene Wärmequelle 3 (ein elektrischer Ofen, ein Sauoistoff-Wasserstoifbrenner oder deLgI eichen) in Richtung der Pfeile: 6 und 6¹ hin- und herbewegt. Auf diese Weise v/ur(.bein Clasfilin 5, der das KerninaloL ial der optischen Faser werden soll, auf der Innenwand des Quarzrohres 2 abgeschieden. In dem hier beschriebenen Beispiel wurden die Dämpfe von SiCl., BDl^ und GeCl^ im Gemisch mit Sauer.stoff als Quellgas zur Bildung des Glasfilms verwendet. SiCl. j , DBr3 und GeCl λ waren in jeweils eiuf 20° C gehaltenen Gusspülern aufgenommen.

Durch SiCl^ wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 120 ccm/niin in Blasen durchgeleitet während für BBr3 die entsprechende Geschwindigkeit 90 cem/min und für GeCl4 0 bis 90 cem/min betrug,entsprechend einem vorgegebenen Programm. Zusätzlich wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 300 cem/min als Trägergas strömen gelassen. Unter Verwendung eines Sauerstoff-Wasserstoffbrenners als Wärmequelle 3 wurde das Quarzrohr 2 auf 1100° C (als mit einen optischen Pyrometer gewonnener Wert) erwärmt und der Brenner 30 mal hin- und herbewegt. Im vorliegenden Fall betrugen die Bewegungsgeschwindigkeiten in Richtung der Pfeile 6 und 6' 2,5 mm/sec bzw. 15 mm/sec. Auf diese V/eise wurde ein GeO2-B2O3-SiO2~Glasfilm 5 (der eine spezifische Brechzahldifferenz von -0,25 bis 0,30% bezogen auf Quarz zeigte) mit einer Dicke von ungefähr 200 Mikron auf der Innenwand des Quarzrohres abgeschieden.

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Nachfolgend wurde vor dem Kollabieren und Zusammenschmelzen des Quarzrohres 2 mit dem darauf durch Gasphasenabscheidung niedergeschlagenen Glasfilm 5 die Zufuhr den Reaktionsgases in das Quarzrohr 2 gestoppt. Während nur durch GeCl.j Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 7 ccm/min in Gasblasen durchgeleitet und getrennt Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 600 ccm/min als Trägergas zugeführt v/urde, wurde das Quarzrohr 2 über den Sauerstoff-Wasserstoffbrenner 3 erhitzt. Zu dieser Zeit wurde die Heizleistung des Brenners gegenüber der bei der Gasphasenabscheidung des vorangehenden Verfahrenyschritts erhöht, und der Brenner bei einer Behandlungstemperatur von 14^r)0 bis 1480° C (aln ein mit dem optischen Pyrometer gemessener Wert) fünfmal hin und herbewegt. Die Bewegungsgeschwindigkeiten des Brenners in Richtung der Pfeile 6 und 6¹ waren dabei die gleichen wie diejenigen bei der Gasphasenabscheidung. Bei dieser Vorwärmbehandlung vor dem Kollabieren und Zusammenschmelzen des der Gasphasenabscheidung unterworfenen

.20 Quarzrohres nimmt der Außendurchmesser des Quarzrohres etwas ab. Die Behandlung unterscheidet sich jedoch von derjenigen bei dem nächsten, dem sogenannten Kollabierschritt, bei dem der hohle Abschnitt massiv gemacht wird. Nachfolgend wurdawie bei dem oben beschriebenen bekannten Kollabierverfahren das der Gasphasenabscheidung unterworfene Quarzrohr erwärmt und so kollabiert, daß sein Querschnitt vollkommen massiv wurde. Damit ist eine Vorform für eine optische Faser hergestellt. Typische Kollabierbedingungen bei dem bekannten Verfahren waren 0,6 mm/.sec für die Brennerger.chwindigkeit (in Richtung des Pfeiles 6¹) und 1600° C (als mit dem optischen Pyrometer gemessener Wert) für die Erwnrinungs temperatur, und

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0,2 nun/sec (in Richtung dt;:; PIeU^s Γι') und 1050° C. In Richtung G wurdo do: Hirnni·:! r.clmr·.'! J bev.vgt. Der Brenner wurde dabei 2 mal h.i.n- und herbewegt. Nach dem ersten Hin- und Hergang der; Brenner« schmolz dos vor- -* ιΐοπ; Knde des Qnar/.rnhrcr, '/ur.amjiK η und schloß sich auf natürliche Weise. Während dos zweiton Hin- und Hergang des Brenners war daher der .Innendruck des Quarzrohres um ungefähr 1.10"·^ kp/cm² holier air. der Atmosphärendruck. Das in das Quarzrohr eingeführte Gas war Sauerstoff.

Die so erzeugte Vorform wurde unter Verwendung eines elektrischen Ofens erwärmt und gezogen. Dabei ergaben sich erfindungsgemäße optische Fasern mit einem Außendurchmesser von 120 Mikron.

Das Brechzahlprofil eines Querschnitts einer nach diesen Verfahren hergestellten optischen Faser wurde mit einem Interferonzmikroskop gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 und den Fign. 4 bis 6, und auch in Fig. 3, auf die später noch Bezug genommen wird, stellt die Ordinate An die relative Brechzahldifferenz (%) in Bezug auf Quarz dar, während die Abszisse den Radialabstand (μπι) vom Mittelpunkt des Querschnitts der optischen Faser darstellt.

Die Fign. 4 bis 6 zeigen Meßergebenisse für nach

bekannten Verfahren gewonnene optische Fasern, wobei die Messungen zu Vergleichszwecken ausgeführt wurden. Fig. 4 entspricht dem Fall, wo die Vorwärmbehandlung vor dem Kollabier-Verfahrensschritt (d.h. der davor- liegende Verfahrensschritt ii)) nicht durchgeführt wurde,und das Kollabieren und Verschmelzen (der Verfahrens schritt Ui)) unmittelbar nach der Gasphasenabscheidung im Verfahrensschritt i) durchgeführt wurde. Fig. 5 ent-

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spricht dem Fall, wo, wie im Fall der Fig. 4, die Vorwärinbeham'Jlung vor dem Kollabiernchritt nicht durchgeführt wurde, und das Kollabieren und Zusammenschmelzen unmittelbar nach der Gasphasenabscheidung im Verfahrensschritt i) durchgeführt wurde, wo aber während des ersten Hin- und Hergangs der Wärmequelle im Kollabierschritt GeCl^ durch das Quarzrohr geleitet wurde. Fig. 6 entspricht dem Fall, wo ohne Durchführung der Wärmebehandlung vor dem Kollabierschritt das Kollabieren und Zusammenschmelzen unmittelbar nach der Gasphasenabscheidung im Verfahrensschritt i) durchgeführt wurde, wo aber im Kollabierschritt das Vorderende des Quarzrohres dicht verschlossen wurde und Sauerstoff durch das Quarzrohr vom anderen Ende her eingeleitet wurde, um den Gasdruck im Quarzrohr über den Atmosphärendruck um ungefähr 1.10~3 kp/cm² zu erhöhen. Die Grundbandfrequenzeigenschaften der optischen Fasern wurden gemessen. Das Ergebnis war, daß die Ubertragungsbandbreiten der nach den bekannten Verfahren hergestellten optischen Fasern, wie sie in den Fign. 4, 5 und 6 dargestellt sind, 310 MHz.km, 600 MHz.km bzw. 400 MHz.km betrugen. Im Gegensatz dazu betrug die Ubertragungsbandbreite der nach Beispiel 1 erfindungsgemäß hergestellten optischen Faser 720 MHz.km, so daß diese Faser die bekannten Fasern hinsichtlich ihrer Eigenschaften in ausreichendem Maße übertrifft. Im folgenden werden nun weitere Vergleiche zwischen Fig. 2, die sich auf das Ergebnis bezieht, das bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung der Fig. 1 gewonnen wird, und den Fign. 4 bis 6, die sich auf die Ergebnisse bekannter Verfahren beziehen, angestellt. Im Falle der Fig. 4 ist der Bereich im Zentrum des Faserquerschnitts, in welchem die Brechzahl erniedrigt

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ist, ausgedehnt: und darüber hinaus int: das Ausmaß der Brechzahlerniedrigung groß. }·; Ln^ optische Faser mit solchen Eigenschaften ist oxixvm ungünstig. Im Falle der Fig. 5 ist der Bereich im zentralen Teil de.^c; Querschnitts, in welchem die ln^r.-hzahl abgesenkt ist, ziemlich ausgedehnt. Darüber hinaus wird der Maximalwert für die llrochzcihl beträchtlich höher als ein Soll\/ert (in der Zeichnung sieht man einen Vorsprung 11), und es entwickelt sich eine Störung in der Charakteristik. Diese Charakteristik ist deshalb auch ungünstig. Der Fall der Fig. 6 ist ebenfalls ungünstig, v/eil der Bereich des zentralen Teils des Querschnitts, in welchem die Brechzahl abgesenkt ist, ausgedehnt ist. Darüber hinaus hat die Kurvenform far die Brechzahl im Mittelteil eine Erhebung 12, die zwar die Brechzahl im Zentrum etwas anhebt, die jedoch hinsichtlich ihres Viertes unstabil ist und sich schlecht steuern läßt. Im Geaensatz dazu ist im Fa]Ie des in Fig. 2 dargestellten Beispiels 1 der Bereich des zentralen Teils, in welchem die Brechzahl abgesenkt ist, klein. Darüber hinaus enthalt die Brechzahlkurve keine Vorsprünge und ist stabil. Die erfindungsgemäß gewonnene optische Faser ist daher günstig. BEISPIEL 2:

Aufbauend auf der Tatsache, daß die Verdampfung der Dotierung von der Erwärmung;;temperatur während, des Kollabierens und von der Dichte des abgeschiedenen Glasfilms abhängig ist, und ferner aufbauend auf der von den Erfindern gefundenen Tatsache, daß die verdampfte Dotierung wieder in don Cl as film diffundiert, wenn das Glasrohr während des Kollabierens in ein geschlossenes System gebracht wird, wird in diesem Bei-

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spiel in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise vor dem Kollabieren und während durch das Glasrohr ein Verbindungsgas, mit welchem ein den Brechungsindex verstärkende.'; Oxid durch Gasphasenabscheidung niedergeschla-Γ) gen wird, geleitet v/ird, eine Wärmebehandlung durchgeführt, Auf diese Weise i.oll der abgeschiedene Film verdichtet und die Verdampfung der Dotierung aus dem Kernmaterial unterdrückt und kompensiert werden. Danach wird als besonderes Merkmal dieses Beispiels ein Ende des Glasrohres versiegelt und das Erwärmen und Kollabieren durchgeführt, während im Gasrohr ein fester Druck vom anderen Ende her mit einem oxidierenden oder Inertgas angelegt wird, mit der Absicht, dadurch das Absinken der Brechzahl im mittleren Teil der optischen Faser zu vermindern.

Im folgenden wird das Beispiel unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Ein Quarzrohr (mit einem Außendurchmesser von 14 mm, einer Wanddicke von 1 mm und einer Gesamtlänge von 120 cm) wurde als hohles Glasrohr 2 verwendet. Außer Quarzrohren werden auch Vycor-Rohre (Vycor: Handelsname von Produkten der Corning Glass Works; U.S.A.) üblicherweise verwendet. Während das Quarzrohr auf einem Drehbett mit einer Geschwindigkeit von 40 Umdrehungen/min in Richtung des Pfeiles 4 (oder in die entgegengesetzte Richtung) gedreht wurde, wurcbein Gas zur Bildung eines Glasfilms, wie durch den Pfeil 1 angegeben, in das Quarzrohr 2 eingeleitet, und eine Wärmequelle 3 (ein elektrischer Ofen, ein Sauerstoff-Wasserstoffbrenner oder dergleichen) in Richtung der Pfeile 6 und 6' hin- und herbewegt. Auf diese Weise wurde der Glasfilm 5, der das Kernmaterial für eine optische Faser werden sollte, auf der Innenwand

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do:; hohlen GLi.sruhrnG "/.. niedergeschlagen. Im vorliegenden Beispiel v.'Ui de 11 die Däi.ipfe von SiC]^, BRr^ und Gc¹Cl₄ im Gemisch mit Sauerstoff als Ouellgas zur RiJ dung des Glasfilms verwendet. SiCl₄, DBr3 und GeCl₄ befanden sicli jeweils Γ) in «'lnf 20° C (ju'ia.l t rncn Clas.spü] ern . Durch SiC],-] wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 384 ccin/min in Gar.b] äsen durehgoleitet, während das gleiche bei BB^ mit einer Geschwindigkeit von 288 ccm/min und bei GeCl₄ in einem Bereich zwischen 0 und 290 ccm/min geschah, entsprechend einem vorgegebenem Programm. Getrennt davon wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 240 ccm/min als Trägergas eingespeist. Unter Verwendung eines Sauerstoff -Wassersloffbrenneis als Wärmequelle 3 wurde das Quarzrohr auf 1050° C (als mit einem optischen Pyrometer gemessener Wert) erwärmt, und die Wärmequelle 36 mal hin- und herbewegt. Dabei betrug die Bewegungsgeschwindigkeit in den Richtungen 6 und 6¹ 4,0 mm/sec bzw. 15 mm/sec. Auf diese Weise wurde ein GeC>2-B20o-Si02-Glasfilm (welcher eine spezifische Brechzahldifferenz von -0,25 bis 0,30% in Bezug auf Quarz zeigte) mit einer Dicke von ca. 220 Mikron auf der Innenwand des Quarzrohres abgeschieden. Danach wurdedas Reaktionsgas abgesperrt, und während nur durch GeCl^ Sauerstoff in Gasblasen mit einer Geschwindigkeit von 4 ccm/min durchgeleitet und getrennt Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 600 ccm/min als Trägergas zugeführt wurd^ wurdedas Quarzrohr 2 mit dem Sauerstoff-Wasserstoff brenner erwärmt. In diesem Zeitpunkt war die Heizleistung des Brenners höher als bei der Gasphasenabscheidung des vorangehenden Schritts. Der Brenner machte fünf Hin- und Hergänge bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 1400 bis 1480° C (als mit dem optischen Pyrometer gemessener Wert). Die Bewegungsgeschwindigkeit des

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Brenners 3 in den Richtungen G und 6¹ betrug in diesem Fall 2,5 min/r.cc bzw. 15 mm/sec Obwohl bei dieser Wärmebehandlung vor dem Kollabieren und Zusammenschmelzen des der Gasphasenabscheidung unterworfenen Glasroh res nein Außendurehmerser etwas abnimmt, unterscheidet sich diese Behänd] ung von dem sogenannten Kollabierungs·- schritt.

Nachfolgend wurdoein Ende 7 des Quarzrohres versiegelt und Sauerstoff, wie durch den Pfeil 1 angegeben, eingeleitet, um den Innendruck des Rohres geringfügig höher als den Druck der umgebenden Luft (die Druckdifferenz betrug ungefähr 1.10*"^ kp/cm*) zu machen. Unter Aufrechterhnltung dieses Zustands wurrbdas Erwärmen und Kollabieren durchcjeführt. Das Kollabieren geschah, indem der Brenner zwei mal hin- und herbewegt wurds und es ergab sich dabei die Vorform einer optischen Faser. Die genauen Bedingungen zu diesem Zeitpunkt waren 0,6 mm/sec für die Brennergeschwindigkeit (in Richtung G¹) und 1600° C für die Erwärmungstemperatur (als mit dem optischen Pyrometer gemessener Wert), und 0,2 mm/sec (in Richtung 6¹) und 1650° C. In Richtung 6 wurde der Brenner rasch bewegt. Die so erzeugte Vorform wurde unter Verwendung eines elektrischen Ofens erwärmt und gezogen. Auf diese Weise ergab sich eine fokussierende optische Faser mit einem Außendurchmesser von 120 Mikron.

Das Brechzahlprofil eines Querschnitts der so erhaltenen optischen Faser wurde mit einem Interferenzmikroskop gemessen, und das Ergebnis ist in Fig. 3 angegeben. Diese optische Faser hatte eine Ubertragungsbandbreite von 765 MHz.km, was den Wert der nach Beispiel 1 erzeugten optischen Faser noch übertrifft. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist bei der nach dem gegenwärtigen Bei-

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spiel erzeugten optischen Faser tier Querschnittsbereich nahe? der; /entrums, in welchem die Brechzahl abr in): t., klein. (In diesem Punkt sind die Verhä 1 Ln i sse im wesent-1ichen äquivalent zu denen der optischen Faser des Bei-.sjiiel:; 1). Ferne·' Liegt eine Ausbauchung 13 im Ürochzahl verlauf in der Umgebung der Achse, und das Absinken der Brechzahl ist extrem goring (Ln diesem Punkt ist die Faser des Beispiels 2 besser als diejenige des Beispiels 1). Aus diesem Gj.und ist die gemäß Bei- «;p j el 2 herges teilte optische Faser überaus günstig. Die Ausbauchung im Hrechzahlverlauf in der Umgebung der Achse war hier stabil. Auf diese Weise hat die n.?ch dem gegenwärtigen Hei spiel hergestellte optische Faser bessere Eigenschaften als jene des Beispiels In den obigen Beispielen wurde die Verwendung eines Gasgemischs aus G0CI4 und Sauerstoff als Atmosphäre; während der Wärmebehandlung nach der Gasphasenabscheidung herausgestellt. Getrennte Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß Dotierungen, die in der Lage sind/die Brechzahl größer als die von Quarzglas zu machen, beispielsweise PCI3, POCl₃, TiCl₄, AICI3 usw., ähnliche Wirkungen haben.

Wie oben herausgestellt, kann mit Hilfe des erfindungsgemäßem Verfahrens zur Herstellung optischer Fase;rn die Herabsetzung der Brechzahl im zentralen Teil der Faser drastisch vermindert werden, und die Erfindung ist geeignet, die Ubertragungseigenschaften, insbesondere die Ubertragungsbandbreiteneigenschaften,entscheidend zu verbessern.

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Claims

PAVEN TA1VVAL ΓΚ SCHIFF ν. FÜNER STMEhiL SC H ij BE L-HG PF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILF-T'LATZ 2 & 3, MUNCHFN 9O POGTADREGTjE: POSTFACH O5 O1 UO, D-OOOO MDNCHKN Θ5 Hitachi., Ltd. DA-U1Vi 1 16. StipfcüMbor 1977 Verfahren zur Herstellung optischer Fasern PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, gekennzeichnet durch i) das Abscheiden eines Glasfilmes mit einer gewünschten Brechzahl bzw. mit einem gewünschten Rrechzahlprof il auf der Innenv/and eines Glasrohres durch chemische Gasphasenreaktion, ii) das Erwärmen des Glasrohres auf eine hohe Temperatur, während ein Verbindungsgas, welches sich in ein die Brechzahl des Glasfilmes

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verstärkendes Oxid umwandelt, in oxidierender Atmosphäre bei der hohen Temperatur zusammen mit einem oxidierendem Gas in das Glasrohr eingeleitet wird, iii) diis Erwärmen und Kollabieren des Glasrohres zu einer massiven Vorform für eine optische Faser und iv) das Erwärmen und Ziehen der Vorform zu einer optischen Faser.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß im Verfahrensschritt iii) ein Ende des Glasrohres versiegelt und ein Gas vom anderen Ende des Glasrohres her in dieses eingeleitet wird, um den Druck im Glasrohr leicht anzuheben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge· kennzeichnet, daß als Glasrohr ein Quarzrohr verwendet wird und daß im Verfahrensschritt ii) das Quarzrohr auf eine Temperatur zwischen ungefähr 1400 und ungefähr 1500° C als mit einem optischen Pyrometer gemessener Wert erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Verfahrensschritt ii) Sauerstoff als das oxidierende Gas verwendet wird, 5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c Ii gekennzeichnet , daß im Verfahrersschritt ii) wenigstens eines der Gase GeCl₁J, PCI3, POCI3, T1CI4 und AlCl3 als das Verbindungsgas verwendet wird,

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6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß im Verfahrensschritt ii) Gauerstoff als das oxidierende Gas und wenigstens eines der Gase GeCl₄, PCl₃, POCl₃, TiCl. und AlCl₃ als das Verbindungsgas verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß im Veriahrensschrltt iii) das Glasrohr auf eine Temperatur zwischen ungefähr 1550 und ungefähr 1650° C als mit einem optischen Pyrometer gemessener Wert erwärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß im Verfahrensschritt iii) der Druck ρ (in kp/cm²) des in das Glasrohr einzuführenden Gases auf einen Wert eingestellt wird, der sich nach der Gleichung p=k/r (wo k eine Konstante bezeichnet und r der halbe Innendurchmesser (in cm) des Glasrohres ist) berechnet, und daß die Konstante k als k ^ 7,5.10"⁴ gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Konstante k als k ^ 6.IO-⁴ gewählt wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser, gekennzeichnet durch

i) das Abscheiden eines Glasfilms mit einer gewünschten

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Brechzahl oder einem gewüm;chten Brechzahlprofil auf der Innenwand eines Glasrohres durch eine chemische Gasphascnreaki.ion, ii) das Erwärmen des Glacrohres auf eine hohe Temperatur, während ein Verbindungsgas, welches sich in ein die Brechzahl des Glasfilnis verstärkendes Oxid umwandelt, in einer oxidierenden Atmosphäre bei der hohen Temperatur zusammen mit einem oxidierenden Gas in das Glasrohr eingeleitet wird, und iii) das Erwärmen und Kollabieren des Glarjrohres zu einem massiven Körper in Form eines Stabes

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