DE2907833C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Licht­ wellenleiter-Vorformen. Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der FR-A-23 28 670 bekannt. Die daraus bekannten Merkmale bilden den Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aufgabe der Erfindung ist es, das genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß Anisotropien in den aufgebrach­ ten verglasten Schichten weitgehend verschwinden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, für eine aufgebrachte Glasschicht, die mit einer Unsymmetrie behaftet ist, eine Glas­ schicht zu erzeugen, die eine entgegengesetzte Unsymmetrie auf­ weist, so daß sich die Unsymmetrien dieser Glasschichten gegen­ seitig kompensieren.

Es seien kurz die Überlegungen und Tatsachen aufgeführt, die zum erfindungsgemäßen Verfahren führten:

Die polarisationsoptische Untersuchung einer runden Faser, die allein durch Erhöhung des Gasdrucks während der Verformung des Rohre zum Stab erzeugt wurde, er­ gab zwar eine deutliche Verminderung der Doppelbrechung im Vergleich zur unsymmetrischen Faser, eine Restdop­ pelbrechung sowie eine optische Aktivität blieben jedoch bestehen. Es wurde nun gefunden, daß die be­ obachtete Phasenverschiebung in Beziehung zur Rotations­ geschwindigkeit des Rohres und zur Vorschubgeschwindig­ keit der Heizzone steht. Während einer Rotation bewegt sich die Heizzone um die Ganghöhe, die durch das Ver­ hältnis aus Vorschubgeschwindigkeit und Rotationsge­ schwindigkeit bestimmt ist. In einem Faserstück, dessen Volumen gleich dem Volumen der Faservorform der Gang­ höhe ist, beträgt die Phasenverschiebung häufig in guter Näherung 360°. Demzufolge wurde vermutet, daß die Doppelbrechung eine Folge der schraubenförmigen Beheizung und Abscheidung ist.

Aus Vorformen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her­ gestellt sind, können Glasfasern gezogen werden, die sich durch besonders geringe Doppelbrechung auszeichnen.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsge­ mäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird anhand von drei bevorzugten Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele geben nach­ einander die Herstellung eines beschichteten Rohres, eines be­ schichteten Stabes und eines beschichteten Tellers an.

Erstes Beispiel

Ein etwa 1 m langes Quarzglasrohr von 20 mm Außendurchmesser und 17 mm Innendurchmesser wird horizontal in eine Glasdreh­ bank eingespannt. Ein Ende dieses Rohres wird mit einer dreh­ baren Gasdurchführung verbunden. Durch diese Gasdurchführung läßt man etwa 1100 ml/min reinen Sauerstoff durch das Rohr strömen.

Zur Beheizung des Rohres dienen zwei fahrbare Knallgasbrenner mit 50 × 100 mm großen Düsen­ köpfen, die versetzt um 180° und in der Horizontalen angeordnet, von beiden Seiten auf das Rohr gerichtet sind. Die Brenner bewegen sich mit einer Geschwindig­ keit von 15 cm/min entlang des Rohres zwischen den Ein­ spannfuttern und erzeugen dabei eine lokale Heizzone, in der eine maximale Rohrtemperatur von etwa 1900°K herrscht und die einen Längsbereich des Rohres zwischen den Futtern in Längsrichtung durchwandert. Bei Beendi­ gung einer Durchwanderung an einem Ede des Bereiches kehren die Brenner ohne das Rohr zu beheizen in die Aus­ gangsposition am anderen Ende des Bereiches zurück. Vor dem nächsten Heizzyklus wird die Drehrichtung des mit etwa einer Umdrehung pro Sekunde sich drehenden Rohres gewechselt. Nachdem das Rohr eine definierte Drehstel­ lung erreicht hat, startet der Brenner erneut. Nach zwei derartigen Zyklen beginnt die Heizung bei einer um 180° gegenüber der definierten Drehstellung verdrehten Dreh­ stellung des Rohres.

Nach einigen Vorheizzyklen werden dem von links in das Rohr einströmenden Sauerstoff für die Synthese des Man­ telglases 90 ml/min SiCl₄ und 9 ml/min BCl₃-Gas bei­ gemischt. Für die Herstellung des Kernglases wird die BCl₃-Zufuhr unterbrochen und die SiCl₄-Zufuhr halbiert. In der durch den Brenner verursachten Heizzone im Rohr findet die Umsetzung der Chloride zu zunächst pulvrigen Oxiden als glasbildende Stoffe statt, die sich auf der Innenwand des Rohres niederschlagen und dort von der vorrückenden Heizzone zu einer mehrere µm dicken Glas­ schicht klargeschmolzen werden. Für das Mantelglas werden fünfzig derartige Schichten aus SiO₂-B₂O₃-Glas aufgeschmolzen, für das Kernglas zwei Schichten aus SiO₂-Glas.

Ein solches fertig beschichtetes Rohr wurde unter Ver­ wendung des Verformungsverfahrens der DE-OS 26 25 010 zum Stab verformt und daraus eine Faser von 5 µm Kern­ durchmesser und 65 µm Gesamtdurchmesser gezogen. Mit der Brechzahldifferenz von Δ n 0,003 und der Kernbrechzahl von n≈1,46 besaß die Faser Monomode- Eigenschaften für Licht der Wellenlänge 633 µm, was aus der Messung der Fernfeld-Intensität folgte.

Zur polarisationsoptischen Untersuchung wurde ein 20 m langes Faserstück auf einen gewinkelten Wickel­ körper aufgewickelt, der zwei einen Winkel von 90° einschließende Wickelebenen besaß und dadurch die Kompensation der bei der Aufwicklung entstehenden krümmungsbedingten Doppelbrechung gestattete. Bei der gewinkelt aufgewickelten Faser fand man lediglich eine Phasenverschiebung von 0,03°/m zwischen den orthogonal polarisierten HE₁₁-Modenzuständen. Damit wies die Faser eine sehr geringe formunabhängige Doppelbrechung auf.

Unter Umständen manifestiert sich die unsymmetrische Beheizung auch in der Form des Kerns, der eine Schrau­ benform annimmt. Die Ganghöhe der Schraube entspricht dem Verhältnis aus Translations- und Rotationsgeschwin­ digkeit 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 kam man auf den grund­ legenden Gedanken, die Unsymmetrie der Einzelschicht durch eine entgegengesetzte Unsymmetrie der nächst­ folgenden Schicht bzw. Schichten zu kompensieren. Dies kann durch die vorstehend angegebenen Maßnahmen des Drehrichtungswechselns und/oder der Veränderung der Anfangsdrehstellung erreicht werden.

Dieses Prinzip ist, wie schon angedeutet, nicht auf Glasrohre beschränkt, sondern kann generell immer dort mit Vorteil angewandt werden, wo eine Glasschicht auf eine Oberfläche eines rotierenden Glaskörpers aufzu­ bringen ist. In den nun folgenden beiden Beispielen werden zwei praktische Fälle dafür angegeben.

2. Beispiel

Wenn die Glasschichten auf die Zylinderfläche eines Stabes aufgebracht werden, dann kann eine beliebig dicke Gesamtglasschicht hergestellt werden. Dazu wird ein 10 mm dicker Quarzglasstab in eine Glasdrehbank einge­ spannt. Zur Abscheidung von Glaspulver dient ein fahr­ barer Glasbrenner, der sich mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/min längs des Stabs zwischen den Einspannfuttern der Gladrehbank bewegt. Der Brenngasmischung wird ein Gasstrom von ca. 70 ml/min SiCl₄ zugefügt, das in der Flamme zu SiO₂ reagiert und zu einer porösen bis pulvrigen Schicht auf der Umfläche des Stabes führt. In Stabrichtung versetzt zum ersten Brenner wird ein zweiter Brenner mitgeführt, der auf dem Stab eine begrenzte Heizzone erzeugt, die den Längsbe­ reich zwischen den Futtern durchwandert und in der etwa 1900°-2000°K herrschen. In der vorrückenden Heizzone wird das abgeschiedene Pulver zu einer glasigen Schicht von ungefähr 5 µm Dicke klargeschmolzen. Nach Beendigung einer Durchwanderung des Längsbereiches bei einem Ende desselben kehren die Brenner, ohne dabei Pulver abzu­ scheiden und zu Glas zu schmelzen, in die Ausgangs­ position am anderen Ende des Längsbereiches zurück. Nun wird die Drehrichtung des Stabes gewechselt. Nachdem der Stab eine gegenüber der Drehstellung zu Beginn der vorangegangenen Brennerdurchwanderung verdrehte Dreh­ stellung erreicht hat, starten die Brenner erneut. Nach Erreichen einer ausreichenden Schichtdicke wird zur Her­ stellung des Mantelglases dem SiCl₄ noch ein BCl₃- Gasstrom von ca. 50 ml/min beigemischt. Das abge­ schiedene Glas enthält dann noch B₂O₃ und besitzt eine niedrigere Brechzahl als das reine SiO₂. Damit der Substratstab nach Abschluß der Beschichtung nicht ent­ fernt werden muß, wird zweckmäßigerweise ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestellter Stab verwendet, der mehrfach gestreckt wurde und deshalb nur noch eine dünne Seele von handelsüblichem Quarzglas enthält.

Das Verfahren ist besonders geeignet zur Herstellung von Glasstäben für doppelbrechungsarme Glasfasern.

3. Beispiel

Durch Abscheidung des Glases aus der Gasphase auf einen rotierenden Teller lassen sich ebenfalls zylindrische Körper herstellen. Dieser Prozeß ist für die Herstellung beliebig langer Glasstäbe geeignet. Dazu wird eine zylin­ drische Quarzglasscheibe über einen auf der ebenen Rück­ fläche angeschmolzenen Quarzglasstab im Spannfutter einer Drehbank aufgenommen und um ihre Achse gedreht. Gegen die ebene Vorderfläche des Tellers brennt eine Gasflamme, der SiCl₄ beigemischt wird. Auf dem Teller bildet sich dann eine porös bis pulvrige Ablagerung von SiO₂. Mit Hilfe eines verschiebbaren Schlittens wird der Brenner senkrecht zur Tellerachse über die Tellerober­ fläche geführt. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Be­ schichtung wird die Verweilzeit des Brenners in der Tellermitte kleiner gehalten als am Tellerrand. Hat der Brenner den gegenüberliegenden Tellerrand erreicht, so wird die SiCl₄-Zufuhr unterbrochen und die Fahrrich­ tung umgekehrt. Während des Brennerrücklaufs wird die Temperatur des Brenners erhöht, wodurch eine lokale Heizzone im Teller entsteht, die ihn über seinen ganzen Durchmesser durchwandert und in der die SiO₂-Schicht zu einer Glasschicht klargeschmolzen wird. Nach Errei­ chen der Ausgangsposition beginnt der Brenner mit einem neuen Abscheide- und Klarschmelzzyklus, nachdem die Drehrichtung des Tellers gewechselt wurde und der Teller eine gegenüber der Drehstellung der vorangegangenen Zyklen verdrehte Stellung erreicht hat. Speist man in den Brenner eine SiCl₄-Gasmenge von 400 ml/min ein, so erhält man auf einem Teller von 6 cm Durchmesser ein Schichtdickenwachstum von ca. 0,4 cm/h. Aus dem auf die­ se Weise gewonnenen Stab können dann in bekannter Weise Glasfasern gezogen werden, die sich durch besonders geringe Doppelbrechung auszeichnen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleiter-Vorformen, bei dem ein Glaskörper um seine Achse gedreht wird, auf seiner Oberfläche mit Hilfe einer lokal wirkenden Heizzone Glaspar­ tikel abgeschieden und diese in einem nachfolgenden Schritt verglast werden, wobei die Rotation in zwei Drehrichtungen erfolgen kann und die Heizzone einen bestimmten Bereich des ro­ tierenden Glaskörpers in Richtung der Drehachse durchwandert, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auf­ bringen der Glaspartikel oder beim Verglasen von einer Schicht zu einer anderen die Drehrichtung des Glaskörpers gewechselt oder mit einer Drehstellung des Körpers, die gegenüber der vorangegangenen versetzt ist, begonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehrichtung jedesmal nachdem eine Durchwanderung beendet ist und bevor eine neue beginnt, ge­ wechselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehstellung um 180° gegenüber der Drehstellung bei Beginn der vorangegangenen Durchwanderung ver­ dreht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Körpers relativ zur Durchwanderungsrichtung der Heizzone beibehalten wird.