DE3118351A1 - "vorrichtung zum niederschlagen einer schicht aus glas auf einer inneren oberflaeche eines glas-fangrohres" - Google Patents
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Description
Vorrichtung zum Niederschlagen einer Schicht aus
Glas auf einer inneren Oberfläche eines Glas-Fangrohres
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Verfahren zur Niederschlagung aus der Dampfphase werden im allgemeinen bei der Herstellung optischer Wellenleitervorformen
benutzt. Bei einem derartigen Verfahren wird eine oder es werden mehrere Schichten aus Glas auf der inneren
Oberfläche eines Glas-Fangrohres durch chemische Niederschlagung
aus der Dampfphase oder durch andere bekannte Techniken gebildet. Ein Reaktionsgemisch in der Dampfphase
wird veranlasst durch die Bohrung bzw. Öffnung eines Glas-Fangrohres zu strömen, während eine Heizeinrichtung, beispielsweise
ein Gasbrenner, sich in Längsrichtung entlang
S/br
des Rohres bewegt, um eine sich bewegende heiße Zone innerhalb des Rohres zu bilden. Das Reaktionsgemisch reagiert
in der heißen Zone zur Bildung eines Reaktionsproduktes, das häufig als "Ruß" bezeichnet wird, der von der heißen
Zone stromabwärts strömt, wo sich wenigstens ein Teil desselben auf der inneren Oberfläche des Rohres niederschlägt,
so daß das Rohr an dieser Stelle gesintert wird und eine glasförmige Schicht gebildet wird, üblicherweise hat ein
beschichtetes Fangrohr wenigstens zwei zusammengesetzte Bereiche. Der innere Bereich bildet letztlich den Kern der
resultierenden optischen Faser und der äußere Bereich bildet
den Mantel derselben. Der verbleibende kritische Schritt beinhaltet das Ziehen der zylindrischen Vorform mit relativ
großem Durchmesser in eine Faser mit kleinem Durchmesser. Vor dem Ziehen der Vorform in eine Faser wird die Vorform
normalerweise in eine Vorform kleineren Durchmessers zusammengedrückt
oder vorzugsweise in eine feste zylindrische Masse.
Die Fasern mit nichtrunden Kernen und Fasern, bei welchen der Kern nicht konzentrisch zur äußeren Mantelfläche ist,
führen zu außerordentlich hohen Spleißverlusten während des
Koppeln bzw. Verbindens derartiger Fasern oder Fäden.Auch das Ankoppeln von Strahlung in eine optische Faser und die
Weiterleitung der Strahlung durch die Faser kann durch die Fasern nachteilig beeinflusst werden, wenn die Fasern ungleichförmige
Geometrien besitzen. Eine optische Faser mit den gewünschten geometrischen Eigenschaften der Kreisförmigkeit
und Konzentrizität kann nur aus einer Vorform erhalten werden, welche die gleiche Geometrie besitzt. Auch wenn ein
kreisförmiges Fangrohr benutzt wird, kann die resultierende
Vorform Ungleichförmigkeit besitzen, die während des Niederschlagungsprozesses
eingeführt wird. Während jedes Durchgangs durch die Heizeinrichtung bei der Glas-Niederschlagung
schrumpft das Fangrohr um einen kleinen Betrag aufgrund der Oberflächenspannung und wenn ein Brenner benutzt wird, ruft
das Gas des Brenners zusätzlich ein Schrumpfen des Rohres hervor. Kumulativ kann diese Wirkung somit die Geometrie
des Fangrohres deformieren, so daß es eine unrunde Form
erhält.
Die GB-PS 1 555 562 beschreibt eine chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, bei der durch eine chemische
Niederschlagung aus der Dampfphase eine oder mehrere glasartige
Schicht(en) auf der inneren Oberfläche eines Glasrohres
gebildet werden, das anfänglich kreisförmigen Querschnitt
sowohl am Außenumfang als auch hinsichtlich des Innenumfanges hat. Während des Niederschlagungsverfahrens
wird der Druck, der geringfügig über dem atmosphärischen Umgebungsdruck liegt, innerhalb der öffnung des Rohres
aufrechterhalten, wobei dieser höhere Druck dazu dient,
der Tendenz zum Zusammenbrechen bzw. Zusammenfallen oder
Verzerren des Rohres entgegenzuwirken, was während der Niederschlagung als Ergebnis der von außen angelegten Hitze
auftritt. Um dieses Ergebnis zu erreichen, ist an dem Ausgangsende des Fangrohres eine Einengung ausgebildet. Die daraus resultierende
Restriktion der Geschwindigkeit des austretenden gasförmigen Gemisches aus dem Rohr läßt einen ausreichenden
Druck aufbauen, um die Kreisförmigkeit des Rohres während des Niederschlagungsverfahrens beizubehalten. Die Verwendung
einer derartigen Verengung ist dahingehend nachteilig, daß in dem verengten Gebiet ein Niederschlagen des Reaktionsproduktes gefördert wird, d.h. eine Erscheinung, die dazu
tendieren würde, daß die öffnung, durch die der Dampf herausströmt,
blockiert wird. Die Tendenz zur Blockierung der verengten öffnung wird durch kontinuierliches Heizen der öffnung
mittels eines zusätzlichen Brenners reduziert. Diese Anordnung beinhaltet keine Einrichtung zur Einstellung des Druckes
innerhalb des Fangrohres.
Eine Anordnung zur Regelung des Druckes in dem Fangrohr während der Niederschlagung ist in der Veröffentlichung
"Improved Chemical Vapour Deposition Method for Long-length Optical Fibre", M. Okada et al., Electronics Letters, 16.Februar
1978, Band 14, Nr. 4, Seite 89 und 90, beschrieben. Hierin wird eine Vorrichtung erläutert, die ein konisches Abgas-
bzw. Austrittsrohr und eine am Austrittsende des Fangrohres
mittig angeordnete konische Strömungsdrossel aufweist. Eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl benutzt, überwacht konstant
den Außendurchmesser des Fangrohres. Ein Signal der überwachungseinrichtung, d.h. des Monitors,wird einem Regler
zugeführt, der die Längsposition der konischen Begrenzung
innerhalb des konischen Austrittsrohres einstel1t.Der Innendruck
im Fangrohr wird durch Änderung der Fläche der öffnung zwischen diesen beiden konischen Gliedern geregelt.Diese
Vorrichtung hat den Nachteil, daß die konische Begrenzung direkt im Weg des austretenden Rußes liegt, so daß der Ruß
dazu tendiert ,sich daran niederzuschlagen. Außerdem ist eine
exakte Druckregelung schwierig infolge der kleinen Größe der Mündungsöffnungen und der gesamte praktische Bereich des
Innendrucks, der durch diese Vorrichtung erreichbar ist, scheint aufgrund mechanischer Erwägungen klein zu sein.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher
der Druck in dem Fangrohr über einen großen Druckbereich während des Niederschlagungsverfahrens regelbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Wellenleiter-Vorform und insbesondere eine Vorrichtung,
mit welcher der Durchmesser eines Vorform-Fangrohres während des Niederschiagens von Glasschichten in diesem Rohr
beibehalten werden kann.
Vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf eine Vorrichtung zum Niederschlagen einer Schicht aus Glas an der Innenfläche
eines Glas-Fangrohres. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zur drehfähigen Lagerung des Fangrohres und eine Einrichtung
.7
zur Einführung eines zuzuführenden Gases in das Rohr auf.
Außerdem ist eine Einrichtung zum Aufnehmen von Abgas bzw. austretendem Gas vorgesehen, das aus dem einen Ende des
Rohres herausströmt. Eine Heizeinrichtung dient zur Bildung
einer heißen Zone innerhalb des Rohres. Der Durchmesser des Rohres wird im Bereich der heißen Zone durch eine Einheit
überwacht, die ein Signal zu einer Einheit zwecks Druckregelung innerhalb des Rohres liefert, wodurch der Außendurchmesser
des Rohres regelbar ist.Gemäß der Erfindung weist die Druckregeleinrichtung eine Einheit auf, welche eine
Kammer festlegt, sowie eine Einrichtung, die diejenige Einrichtung mit der Kammer verbindet, die das austretende Gas
aufnimmt; außerdem ist eine Einrichtung vorgesehen, die auf das Signal des Monitors anspricht, um den Druck innerhalb
der Kammer zu regeln.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausflihrungsform der Erfindung anhand der Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschri
eben.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer sonst als Standardanlage zur Niederschlagung aus der Dampfphase verwendeten
Anlage, die jedoch derart abgewandelt ist, daß sie für vorliegende Erfindung einsatzfähig ist. Diese Anordnung
weist ein Substrat- oder Fangrohrstück 8 auf, an dessen stromaufwärts liegendem Ende ein Halterohr 8a befestigt ist,
während an dem stromabwärts liegenden Ende dieses Fangrohrstückes 8 ein Absaug- bzw. Austrittsrohr 8b angebracht ist.
Die Rohre 8a und 8b sind in einer üblichen, nicht dargestellten Drehbank zum Drehen von Glas eingepannt, wobei die
sich drehenden Kupplungen 10 und 14 dargestellt sind. Die Kombination, bestehend aus dem Fangrohr, dem Halterohr und
dem Austrittsrohr, wird in der Richtung dreht, wie sie durch einen Pfeil in der Zeichnung veranschaulicht ist.
Das Halterohr, das weggelassen werden kann, ist ein billiges Glasrohr mit dem gleichen Durchmesser wie das Substratrohr und
bildet keinen Teil des sich ergebenden optischen Wellenleiters
.
Eine heiße Zone 13 wird dazu gebracht, quer zum Rohr 8 sich zu bewegen, indem die Heizeinrichtung 12 bewegt wird, wie
es schematisch durch Pfeile 12a und 12b angedeutet ist. Die Heizeinrichtung 12 kann aus jeder beliebigen Heizquelle bestehen,
beispielsweise aus einer Vielzahl von Brennern, die das Rohr 8 umgeben. Da jedoch eine spezielle Heizquelle bei
der Ausführung vorliegender Erfindung unkritisch ist, kann jede angemessene Quelle verwendet werden, z.B. eine elektrische
Widerstandsheizquelle, ein Ofen oder dergleichen. Der Brenner 12 bewegt sich zuerst mit geringer Geschwindigkeit
gegenüber dem Rohr 8 in Richtung eines Pfeiles 12a, wobei dies die gleiche Richtung ist, wie die Strömungsrichtung des Reaktionsmittels. Die Strömungsmittel reagieren
in der heißen Zone, um Ruß zu erzeugen, d.h. eine pulverförmige
Suspension eines speziellen oxydhaltigen Materials, das durch das sich bewegende Gas in Strömungsrichtung, d.h.
stromabwärts, getragen wird, wo sich wenigstens ein Teil desselben auf der inneren Oberfläche des Rohres niederschlägt,
insbesondere im Bereich unmittelbar neben der heißen Zone. Da der Brenner 12 sich weiterhin in Richtung des Pfeiles 12a
bewegt, bewegt sich auch die heiße Zone stromabwärts, so daß ein Teil des aufgebauten Rußes sich in die heiße Zone erstreckt
und konsolidiert wird, um dadurch eine gleichförmige,
homogene glasartige Schicht zu bilden. Prozeßparameter wie Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten, Reaktanzmittel und
dergleichen können in Publikationen von O.B. MacChesney et al,
Proceedings of the IEEE, 1280 (1974) und W.G.French et al, Applied Optics, 15(1976) ermittelt werden. Außerdem wird
auf den Text "Vapor Deposition", von C.F.Powell et al, John Wiley and Sons, Inc. (1966) verwiesen.
Wenn der Brenner. 12 das Ende des Rohres 8 neben dem Austrittsrohr 8b erreicht, wird die Temperatur der Flamme reduziert
und der Brenner kehrt in Richtung des Pfeiles 12b zum Einlaßende des Rohres 8 zurück. Danach werden zusätzliche
Schichten aus glasartigem Material im Rohr 8 in der vorstehend beschriebenen Weise niedergeschlagen.
Nachdem geeignete Schichten niedergeschlagen wurden, um
als Kernmaterial zu dienen sowie andere gewünschte Schichten des sich ergebenden optischen Faser-Wellenleiters, wird die
Temperatur des Glases erhöht, um das Rohr 8 zusammenbrechen zu lassen bzw. zusammenzudrücken. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß die Geschwindigkeit der Querbewegung der heißen Zone verringert wird. Vorzugsweise wird das Innere des Rohres
8 während des Zusammendrückens unter Druck gesetzt, wie dies in der US-PS 4 154 591 beschrieben ist.
Der sich ergebende Ziehrohling wird dann entsprechend bekannter Techniken gezogen, um einen optischen Wellenleiterfaden
bzw. eine optische Wellenleiterfaser mit dem gewünschten Durchmesser
zu bilden.
Eine verbesserte Einrichtung, die dazu dient, in dem Fangrohr (bait tube)den Druck aufrechtzuerhalten ,um den gewünschten Außendurchmesser
des Rohres beizubehalten, ist in der Zeichnung dargestellt. Das Austrittsrohr 8b ist durch eine sich drehende
Kupplung 14 und eine Leitung 15 an eine Druckkammer 18 angeschlossen, die durch ein Gehäuse 16 und einen Deckel oder
eine Klappe 17 gebildet ist. Eine Gasquelle 20, beispielsweise für Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen ,ist über eine
Regeleinrichtung 22 für die Massenströmung mit einer Kammer verbunden. Sowohl die aus dem Rohr 8 austretenden Gase als
auch das von der Regeleinrichtung 22 herausströmende Gas treten über eine Leitung 26 aus, die mit einer Öffnung 28 versehen
ist, die ihrerseits durch einen beweglichen Flügel ,d.h. ein bewegliches Stellglied 30,einstell bar ist.
Der Durchmesser des Rohres 8 wird im Bereich der heißen Zone 13 von einem Monitor 34 überwacht, der aus einer Reticon-Kamera
bestehen kann, die eine Fotodiodenanordnung enthält, mit zugehöriger Elektronik. Der Ausgang der Kamera wird
abgetastet und in Form einer Analogspannung gehalten. Eine im Handel erhältliche Reticon-Kamera vom Typ LC 100 verwendet
eine Diodenreihe mit 1728 Elementen auf 15 jjm
2entren mit einer Öffnung von 279,4 jum (11 mils).
Der Abschnitt des Rohres 8,der vom Brenner 12 erhitzt wird,
ergibt eine mit 24 bezeichnete Strahlung, die durch eine Linseneinheit 32 auf die Diodenreihe der Reticon-Kamera
fokusiert wird; das daraus resultierende Ausgangssignal
wird einem Regler 36 zugeführt, welcher den Druck innerhalb des Rohres 8 dadurch regelt, daß die Gasströmung durch den
Regler 22 für den Mengenfluß auf solche Weise geregelt wird, daß die Tendenz besteht,daß die Änderung des Durchmessers des
Rohres 8 von einem eingestellten Sollwert reduziert wird.
Anstelle sich auf die Strahlung zu verlassen,die vom Rohr 8
infolge seiner hohen Temperatur ausgestrahlt wird, kann ein Laserstrahl auf das Rohr gerichtet werden und der Monitor
kann dazu verwendet werden, um das reflektierte oder gebrochene Licht zu erfassen.
Da Ruß in den Abgasen enthalten ist, welche in die Kammer 18 strömen, ist es vorteilhaft, ein Gehäuse 16 mit Klappe 17
vorzusehen, wobei die Klappe 17 entfernt werden kann, um die Entfernung von Ruß zu erleichtern. Zur Entfernung von Ruß
kann eine Einrichtung, beispielsweise ein sich drehender
Bohrer (Schneckenbohrer) verwendet werden, um den Ruß zu entfernen, der dazu tendiert, sich in der Leitung 26 zu sammeln;
dieser Bohrer ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Ein Meßinstrument 40 kann zur überwachung des Druckes in der
Kammer 18 vorgesehen sein.
Die vorstehend beschriebene Anordnung ermöglicht die Regelung des Durchmessers des Rohres 8 während des Herstellungsprozesses für die Vorform. Gemäß der US-PS 454 591 kann es
wünschenswert sein, den Durchmesser des Fangrohres vor dem Niederschlagungsprozeß zu erhöhen, um die Kreisform des
Rohres zu verbessern. In der GB-PS 1 555 562 und in der Veröffentlichung
"Electronics Letters", 16.Februar 1978, Band 14, Nr. 4, Seiten 89 und 90 (Improved Chemical Vapour Deposition
Method for Long-length Optical Fibre) ist beschrieben, daß es
wünschenswert ist, den Rohrdurchmesser während des Niederschlagungsprozesses
beizubehalten. Bei Berücksichtigung
dieses Teils des Herstellungsverfahrens für die Vorform
ist zu beachten, daß -wenn die Temperatur der heißen Zone ausreichend hoch ist, um reines Kieselsäureglas auf die
innere Oberfläche des Rohres 8 niederzuschlagen- das Rohr
infolge der Oberflächenspannung und der Kraft des Brenners
in eine feste Stange innerhalb von fünf Brennerdurchgängen zusammenbrechen kann, wenn nicht der Innendruck erhöht wird.
Schließlich ist in der US-PS 4 154 591 beschrieben, daß sich vorteilhafte Ergebnisse ergeben infolge der Aufrechterhaltung
eines positiven Druckes innerhalb des Fangrohres während seines Zusammenbruchs, nachdem die Schicht oder
Schichten aus Glas darin niedergeschlagen sind. Die beschriebene Anordnung ist imstande, den gewünschten Außendurchmesser
des Rohres während all derjenigen, vorstehend erwähnten Abschnitte des Verfahrens zur Herstellung der
Vorform beizubehalten. Diese erfindungsgemäße Anordnung
spricht ferner schnell an, um den notwendigen Druck des Fangrohres zu erzeugen.
-4ft-
Leerseite
Claims (4)
- Corning Glass Works, Corning, New York / USAPatentansprücheMJ Vorrichtung zum Niederschlagen einer Glasschicht auf der inneren Oberfläche eines Glas-Fangrohres, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (8a) zur drehfähigen Lagerung des Rohres, eine Einrichtung zur Einleitung eines zuzuführenden Gases in das Rohr und eine Einrichtung (8b) zur Aufnahme von Abgas, welches vom einen Ende des Rohres wegströmt, vorgesehen sind,daß eine Einrichtung (12) zur Aufheizung des Rohres zur Bildung einer heißen Zone in dem Rohr, eine Einrichtung (34) zur Überwachung des Durchmessers des Rohres im Bereich der heißen Zone und eine Einrichtung (22) zur Regelung des Druckes in dem Rohr, um dadurch den Außendurchmesser des Rohres zu regeln, angeordnet sind, daß die Druckregeleinrichtung (14 bis 18, 22) eine eine Kammer (18) festlegende Einheit (16,17), eine Einrichtung (14,15) zur Verbindung der das Abgas empfangenden Einrichtung (8b) mit der Kammer (18) und eine EinrichtungS/br(36) aufweist, welche auf die überwachungseinrichtung (34) zur Steuerung des Druckes in der Kammer (18) anspricht.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregeleinrichtung (H bis 18, 22) zur Druckregelung in der Kammer (18) eine Gasquelle (20), eine die Gasströmung in die Kammer (18) regelnde bzw. steuernde Einrichtung (22), einen auf das von der überwachungseinrichtung (34) abgegebene Signal ansprechende Regelschaltung zur Lieferung eines Signals zur Strömungsregeleinrichtung sowie eine Einrichtung (28) zur Entlüftung der Kammer (18) aufweist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kammer (18) festlegende Einrichtung (16,17) ein Gehäuse (16) und einen entfernbaren Deckel (17) aufweist.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungseinrichtung (28) verstellbar ist.
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