DE2907731A1

DE2907731A1 - Verfahren zur herstellung eines glasfaser-lichtwellenleiters

Info

Publication number: DE2907731A1
Application number: DE19792907731
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Ing Dr Techn Papp; Hartmut Dipl Chem Dr Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4302232A; FR2450239A1; FR2450239B1; GB2043623B; JPS55116639A; GB2043623A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 7g P 7 Q 2 5 9RD

Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtwellenleiters

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtwellenleiters nach dem Verfahren der chemischen Dampf abscheidung (CVD-Verfahren) , bei dem durch ein Glasrohr von einer Seite zur anderen ein Gasstrom geleitet wird, aus dem glasbildende Stoffe an der Innenwand des Rohres abgeschieden und in eine Glasschicht umgewandelt werden und bei dem das innen beschichtete Glasrohr zu einem Stab verformt und daraus die Faser gezogen wird.

Solche Verfahren zur Herstellung von Glasfasern mittels chemischer Dampfabscheidung sind allgemein bekannt (siehe beispielsweise Appl. Phys. Lett. Vol. 28, Nr. 11, 1. Juni 1976 und die darin angegebenen Fundstellen, insbesondere Nr. 1 bis 3). Die mit einem solchen Verfahren hergestellten Fasern erweisen sich wie die nach dem Doppeltiegel-Verfahren hergestellten Fasern als depola- · risierend, doppelbrechend oder auch optisch aktiv.

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Für die praktische Anwendung sind aber vielfach Fasern erxvünscht j die weder depolarisierend und doppelbrechend noch optisch aktiv sind. Beispielsweise eigneten sich Monomode-Glasfasern hervorragend zur Übertragung kurzer Lichtimpulse in der Nachrichtentechnik, wenn bei realen Fasern nicht Fortpflanzungsverzögerungen zwischen den beiden orthogonal polarisierten Zuständen des Grundmodus und damit eine unerwünschte Verminderung der Informations-Übertragungskapazität aufträte. Bei anderen Anwendungen wird beispielsweise eine definierte Polarisation des austretenden Lichts gefordert. Dies gilt für interferometrische Verfahren, wie etwa die faseroptische Rotationsmessung und für magnetοoptisehe Verfahren, wie die faseroptische Stromstärkemessung.

Zu den Ursachen für die unerwünschten Eigenschaften der realsen Glasfasern zählen Abweichungen des Faserkerns von der Zylindersymmetrie oder eine Anisotropie des Materials.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Zylindersymmetrie des Kerns der hergestellten Faser verbessert und/oder eine Anisotropie des Materials vermindert werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß während der Abscheidung der glasbildenden Stoffe und deren Umwandlung in die Glasschicht ein gegenüber der äußeren Umgebung des Rohres erhöhter Gasdruck im Inneren des Rohres erzeugt wird und/oder das Rohr um seine Längsachse gedreht und von einer für die Abscheidung und Umwandlung im Rohr erzeugten lokalen Heizzone in Längsrichtung ein vorbestimmtes Stück durchwandert und die Drehrichtung des Rohres relativ zur Durchwanderungsrichtung gewech-

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seit wird und/oder daß eine neue Durchwanderung des Stücks mit einer Drehstellung des Rohres begonnen wird, die gegenüber derjenigen bei Beginn einer vorangegangenen Durchwanderung des Stücks verändert ist.

Die Erzeugung des erhöhten Druckes verbessert die Zylindersymmetrie des Faserkerns, während mit dem Wechsel der Drehrichtung relativ zur Durchwanderungsrichtung und/oder der Verdrehung des Rohres Anisotropien des Materials verringert werden.

Dabei liegt der Gedanke zugrunde, für eine erzeugte Glasschicht, die mit einer Unsymmetrie behaftet ist, eine weitere Glasschicht zu erzeugen, die eine entgegengesetzte Unsymmetrie aufweist, so daß sich die Unsymmetrien dieser Glasschichten gegenseitig kompensieren.

Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des erhöhten Gasdrucks wird vorteilhafterweise zusätzlich ein Gas von der anderen Seite in das Rohr geblasen. Zweckmäßigerweise wird für dieses zusätzlich eingeblasene Gas Sauerstoff verwendet.

Zur Verminderung der Anisotropie ist es vorteilhaft, wenn die Drehrichtung jedesmal gewechselt wird, wenn die Heizzone das Stück durchwandert hat.

In einem solchen Falle ist es auch zweckmäßig, wenn bei den aufeinander folgenden Drehrichtungswechseln die neue Durchwanderung des Stücks abwechselnd mit der Drehstellung des Rohres begonnen wird, die es bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung des Stücks hat und dann mit einer dergegenüber veränderten Drehstellung. Dabei ist es wiederum zweckmäßig, wenn die veränderte

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Drehstellung um 180 gegenüber der Drehstellung bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung des Stücks verdreht wird.

Vielfach genügt es auch, zur Ausgleichung der Unsymmetrie so vorzugehen, daß die Drehrichtung des Rohres relativ zur Durchwanderungsrichtung beibehalten wird . und jede neue Durchwanderung des Stücks mit einer Drehstellung des Rohres begonnen wird, die gegenüber

derjenigen bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung des Stücks um 180° verdreht ist.

Glasfasern, die mit einem angegebenen Verfahren zur Verminderung der Anisotropie hergestellt worden sind, besitzen nur noch eine sehr kleine Restdoppelbrechung, die erheblich geringer ist als die von Fasern aus konventioneller Produktion. Ein Drehrichtungswechsel wird zweckmäßigerweise immer dann vorgenommen, wenn schraubenförmige Unsymmetrien vermieden werden sollen.

Bei einem vorgeschlagenen Verfahren wird eine besonders gute Zylindersymmetrie erhalten, wenn ein erhöhter Gasdruck auch während der Verformung des innen beschichteten Rohres zum Stab im Inneren eines noch nicht verformten Rohrteils erzeugt und aufrechterhalten wird.

Dies wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, daß der erhöhte Gasdruck während der Verformung durch Einblasen eines Gases durch eine Öffnung des Rohrteils erzeugt und aufrediterhalten wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß diese Maßnahme, einen erhöhten Gasdruck auch während der Verformung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, sowie die angegebenen konkreten Mittel dazu, bereits aus der DE-OS 26 25

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für sich bekannt sind und daß diese Mittel allein "bereits zu einer verbesserten Zylindersymmetrie der so hergestellten Faser führen. Die Kombination der erfindungswesentlichen Maßnahmen mit den für sich bekannten Maßnahmen führt zu einer verbesserten Faser.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines 10. innen beschichteten Rohres nach einem der vorgeschlagenen Verfahren.

Ein etwa 1 m langes Quarzglasrohr 1 von 20 mm Außen- und 17 mm Innendurchmesser wird horizontal in eine Glasdrehbank 2 eingespannt. Dabei wird ein Ende, in der Figur das linke, mit einer drehbaren Gasdurchführung 3 verbunden und am rechten Ende wird ein 0,5 m langes Quarzglasrohr 4 mit etwa 40 mm Außendurchmesser und 36 mm Innendurchmesser als Auspuffrohr angeschmolzen. Durch das Quarzglasrohr 1 läßt man etwa 1100 Nml/min reinen Sauerstoff von links nach rechts strömen. Mit Hilfe eines dünnen Rohres 5 von etwa 10 mm Durchmesser wird axial von rechts ein zweiter etwa 10 l/min starker reiner Sauerstoffstrom in das Auspuffrohr eingeblasen. Die gesamte Gasmenge wird am offenen Ende des Auspuffrohres 4 abgesaugt.

Zur Beheizung des Rohres 1 dienen zwei fahrbare Getrenntgas-Knallgasbrenner 6 mit. etwa 50 χ 10 mm großen Düsenköpfen, die versetzt um 180° und in der Horizontalen angeordnet, von beiden Seiten auf das Rohr 1 gerichtet sind. In der Figur ist aus Darstellungsgründen nur einer der Gasbrenner 6 in einer vertikalen Ebene angeordnet dargestellt. Die Brenner 6 bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 15 cm/min von links nach rechts ent-

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lang des Rohres 1 und durchwandern so ein Längsstück desselben, das vom linken Futter 21 der Glasdrehbank 2 bis zum Auspuffrohr 4 reicht. Die Brenner erzeugen auf diese Weise eine lokale Heizzone 12 im Rohr 1, die das Stück 11 in Längsrichtung durchwandert. In der Heizzone 12 herrscht dabei.eine maximale Rohrtemperatur von etwa 1900° K. Dabei erweicht das Rohr 1 lokal und neigt zum Zusammensinken.

Die von rechts eingespeiste Gasmenge wird nun so dosiert, daß der Durchmesser des Rohres konstant bleibt. Bei Beendigung einer Durchwanderung an einem Ende des Stücks 11 kehren die Brenner 6,ohne das Rohr zu beheizen, in die Ausgangsposition am anderen Ende des Stücks 11, im Beispiel an das linke Ende, zurück. Vor dem nächsten Heizzyklus wird die Drehrichtung des mit einer Umdrehung pro Sekunde sich drehenden Rohres 1 gewechselt. Nachdem das Rohr 1 eine definierte Drehstellung erreicht hat, startet der Brenner erneut und durchwandert das Stück 11 in Längsrichtung. Nach zwei derartigen Zyklen beginnt die Beheizung bei einer um •180° gegenüber der definierten
ten Drehstellung des Rohres 1.

•180° gegenüber der definierten Drehstellung verdreh-

Nach einigen Vorheizzyklen werden dem von links in das Rohr 1 einströmenden Sauerstoff für die Synthese des Mantelglases 90 Nml/min SiCl^ und 9 Nml/min BCl,-Gas beigemischt. Für die Herstellung des Kernglases wird die BCl,-Zufuhr unterbrochen und die SiCT^-Zufuhr halbiert. In der durch den Brenner 6 verursachten Heizzone 12 im Rohr findet die Umsetzung der Chloride zu zunächst pulvrigen Oxiden als glasbildende - Stoffe statt, die sich auf der Innenwand des Rohres 1 niederschlagen und dort in der vorrückenden Heizzone 12 zu einer mehrere /um dicken Glasschicht klargeschmolzen werden.

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Für das Mantelglas werden 50 derartige Schichten aus SiOp-BpO^-Glas aufgeschmolzen, für das Kernglas zwei Schichten aus

Das fertig beschichtete Rohr 1 läßt man bei erhöhter Temperatur zum Stab kollabieren. Dazu wird die Brenner geschwindigkeit in acht Stufen bis auf 0,2 mm/sek vermindert. Dabei wird weiterhin Gas in das Auspuffrohr eingeblasen. Dadurch wird ein zu rasches und unregelmäßiges Zusammenfallen des Rohres vermieden. Der so erzeugte Stab ist kreisrund. Die chemische Analyse ergibt für die Zwischenschicht einen BoO^-Gehalt von etwa 3 Mol-%.

Der Stab wird in einer Faserziehmaschine mit Graphitheizelement zu einer Faser von 5/um Kerndurchmesser und 65/um Gesamtdurchmesser ausgezogen. Unmittelbar nach dem Ziehen wird zur besseren Handhabung eine Polysiloxan-Kunststoffschicht auf die Faser aufge-' bracht. Mit der Brechzahldifferenz η von ungefähr 0,003 und der Kernbrechzahl von η = 1,46 besitzt die Faser Monomodeeigenschaften für Licht der Wellenlänge 633/um. Dies folgt aus der Messung der Fernfeld-Lichtintensität .

Zur polarisationsoptischen Untersuchtung wurde ein 20 m langes Faserstück auf einen gewinkelten Wickelkörper aufgewickelt, der zwei einen Winkel von 90° einschließende Wickelebenen besaß .und dadurch die Kompensation der bei der Aufwicklung entstehenden krümmungsbedingten Doppelbrechung gestattet. Bei der erfindungsgemäß hergestellten und gewinkelt aufgewickelten Faser findet man lediglich eine Phasenverschiebung von 0,3°/m zwischen den orthogonal polarisierten HE^-Modenzuständen. Damit ist die formunab-

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hängige Doppelbrechung erheblich kleiner als bei bisher in der Literatur beschriebenen Fasern.

Für die vorliegende Erfindung waren folgende Überlegungen und Tatsachen bedeutsam: Die polarisationsoptische Untersuchung einer runden Faser, die allein durch Erhöhung des Gasdrucks erzeugt wurde,ergab zwar eine deutliche Verminderung der Doppelbrechung im Vergleich zur unsymmetrischen Faser, eine Restdoppelbrechung sowie eine optische Aktivität bleiben jedoch bestehen. Es wurde jedoch gefunden, daß die beobachtete Phasenverschiebung in Beziehung zur Rotationsgeschwindigkeit u des Rohres 1 und zur Vorschubgeschwindigkeit ν der Heizzone steht. Während einer Rotation bewegt sich die Heizzone um die Ganghöhe v/u. In einem Faserstück, dessen Volumen gleich dem Volumen der Faservorform der Ganghöhe v/u ist, beträgt die Phasenverschiebung häufig in guter Näherung 360 . Demzufolge wurde vermutet, daß die Doppelbrechung eine Folge der schraubenförmigen Beheizung und Abscheidung ist.

Unter Umständen manifestiert sich die unsymmetrische Beheizung auch in der Form des Kerns, der die Form eines Schraubenkörpers annimmt„ Die Ganghöhe der Schraube entspricht dem Verhältnis aus Translations- und Rotationsgeschwindigkeit der Heizzone relativ zum Rohr Läßt man ein innen beschichtetes Rohr auskühlen, so neigt die aufgetragene Glasschicht wegen ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zur Rißbildung.

Solche Risse verlaufen ebenfalls in Schraubenlinien. Daraus kann geschlossen werden, daß die Herstellung zu einer Spannungsschraube im Rohr führt, die als Folge einer ungleichmäßigen Dotierung betrachtet werden kann.

Auf der Suche nach Abhilfe kamen die Erfinder auf den grundlegenden Gedanken, die Unsymmetrie der Einzel-

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schicht durch eine entgegengesetzte Unsymmetrie der nächstfolgenden Schicht bzw. Schichten zu kompensieren. Dies kann durch die vorstehend angegebenen Maßnahmen des Drehrichtungswechselns und/oder Veränderung der Anfangsdrehstellung erreicht werden.

Das Ergebnis ist, daß eine so hergestellte Glasfaser nur noch eine sehr kleine Restdoppelbrechung besitzt, die erheblich geringer ist als die von Fasern aus konventioneller Produktion.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Präparation von Fasern, die sowohl in der Form wie auch im Brechzahlprofil in guter Näherung kreissymmetrisch sind und in denen daher der Polarisationszustand des eingekoppelten Lichts im wesentlichen erhalten bleibt.

9 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

Patentansprüche

ΛΙ Verfahren zur Herstellung eines Glasfaser-Lichtwellenleiters nach dem Verfahren der chemischen Dampfabscheidung (CVD-Verfahren), bei dem durch ein Glasrohr von einer Seite zur anderen ein Gasstrom geleitet wird, aus dem glasbildende Stoffe an der Innenwand des Rohres abgeschieden und in eine Glasschicht umgewandelt werden und bei dem das innen beschichtete Glasrohr zu einem Stab verformt und daraus die Faser gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abscheidung der glasbildenden Stoffe und deren Umwandlung in die Glasschicht ein gegenüber der äußeren Umgebung des Rohres erhöhter Gasdruck im Inneren des Rohres erzeugt wird,und/oder das Rohr um seine Längsachse gedreht und von einer für die Abscheidung und Umwandlung im Rohr erzeugten lokalen Heizzone in Längsrichtung ein vorbestimmtes Stück, durchwandert und die Drehrichtung des Rohres relativ zur Durchwanderungs richtung gewechselt wird,und/oder daß eine neue Durchwanderung des Stücks mit einer Drehstellung des Rohres begonnen wird, die gegenüber derjenigen,bei Beginn einer vorangegangenen Durchwanderung des Stücks verändert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des erhöhten Gasdrucks zusätzlich ein Gas von der anderen Seite in das Rohr geblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das zusätzlcih eingeblasene Gas Sauerstoff verirendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß .die Drehrichtung jedesmal gewechselt wird, wenn die Heizzone das Stück durchwandert hat.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß bei den aufeinanderfolgenden Drehrichtungswechseln eine neue Durchwanderung des Stücks abwechselnd mit der Drehstellung des Rohres begonnen wird, die es bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung des Stücks eingenommen hat und dann mit einer dergegenüber veränderten Drehstellung.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderte Drehstellung um 180° gegenüber der Drehstellung bei Beginn . der vorangegangenen Durchwanderung des Stücks verdreht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -

durch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung relativ zur Durchwanderungsrichtung beibehalten wird und jede neue Durchwanderung des Stücks mit einer Drehstellung des Rohres begonnen wird, die gegenüber derjenigen bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung

des Stücks um 180° verdreht ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erhöhter Gasdruck auch während der Verformung des innen beschichteten Rohres zum Stab im Inneren eines noch nicht verformten Rohrteiles erzeugt und aufrechterhalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e kennzeichnet, daß der erhöhte Gasdruck'

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während der Verformung durch Einblasen eines Gases durch eine Öffnung des Rohrteiles erzeugt und aufrechterhalten wird.

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