DE3149166C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser durch Hydrolysieren eines gasförmigen, glasbildenden Materials in der Flamme eines Knallgasbrenners und durch Ablagerung des sich ergebenden Verbrennungsprodukts auf einem Ausgangskörper in einem Muffelofen, wobei dem Muffelofen außer dem von dem Knallgasbrenner herrührenden Gas ein weiteres Gas zugeführt wird.

Die Technologie auf dem Gebiet der Faseroptik ist soweit fortgeschritten, daß es heute möglich ist, eine optische Faser mit Übertragungsverlusten herzustellen, die im wesentlichen dem theoretischen Grenzwert entsprechen. Die meisten langen Fasern, die für Kommunikationszwecke ohne Verstärker bzw. Übertrager verwendet werden können, haben jedoch Übertragungsverluste, die größer als der theoretisch mögliche Wert sind; dies ist weitgehend auf die unregelmäßige Verteilung des Brechungsindex in axialer Richtung zurückzuführen. Optische Fasern werden üblicherweise nach dem folgenden, zum Beispiel in den Druckschriften Electronics Letters, 16, 802/803 (1980) und Electronics Letters, 14, 534-535 (1978) beschriebenen, Verfahren hergestellt: Ein gasförmiges, glasbildendes Material wird mit einer Flamme von einem Knallgasbrenner hydrolysiert (oxidiert); das sich ergebende Verbrennungsprodukt lagert sich in Form einer Stange ab, die dann in einem Elektroofen gesintert wird, wodurch transparentes Glas entsteht. Dieses Glas wird zu einer Faser gezogen. Das Verbrennungsprodukt enthält üblicherweise eine Dotierung die den Brechungsindex des Glases modifiziert.

Es sind Vorrichtungen zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser bekannt, bei denen dem Muffelofen kontinuierlich eine bestimme Gasmenge, wie beispielsweise ein inertes Gas (zum Beispiel Helium) oder Luft, zugeführt wird. Das Gas ist nicht bei der Flammenhydrolyse involviert, sondern entfernt nur so rasch wie möglich nicht-reagierte Gase des Knallgasbrenners, wie beispielsweise Siliziumtetrachlorid-Gas, und bei der Flammenhydrolyse als Nebenprodukte entstehende Gase, wie Chlorwasserstoffgas und Wasserdampf, aus dem Muffelofen, so daß sich bei der Bildung des stangenförmigen Vorformlings für die optischen Fasern keine Verunreinigungen auf dieser Stange ablagern.

Die Eigenschaften einer optischen Faser hängen bereits wesentlich von den Bedingungen ab, unter denen die Herstellung des porösen Vorformlings als Ausgangsprodukt für die optische Faser erfolgt. Die herkömmlichen Vorrichtungen zur Herstellung eines porösen Vorformlings haben den Nachteil, daß es durch Flackern der Flamme des Knallgasbrenners zu einer ungleichmäßigen Materialablagerung bei der Bildung des Vorformlings und damit zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Brechungsindex in der aus dem Vorformling hergestellten optischen Faser kommt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art für die Herstellung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser, die minimale Änderungen der axialen Verteilung des Brechungsindex und dadurch eine verbesserte Frequenzkennlinie aufweist, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das weitere Gas mit einer konstanten, nur geringfügig unterhalb der Gastemperatur im Muffelofen liegenden Temperatur zugeführt wird.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß es bei der Bildung des Vorformlings zu einer gleichmäßigen Materialablagerung und dadurch zu einer gleichmäßigen axialen Verteilung des Brechungsindex in der aus dem Vorformling hergestellten Faser kommt. Indem das weitere Gas erfindungsgemäß mit einer konstanten Temperatur, die nur geringfügig unterhalb der Gastemperatur im Muffelofen liegt, zugeführt wird, werden starke durch Temperaturunterschiede bedingte Gasturbulenzen innerhalb des Muffelofens, die zu einem Flackern der Knallgasbrennerflamme und damit zu Unregelmäßigkeiten bei der Materialablagerung führen, vermieden. Durch die erfindungsgemäße Zuführung des weiteren Gases werden Konvektionsströme innerhalb des Muffelofens unterbunden, was zu einer konstanten Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Vorformlings und insbesondere der der Knallgasbrennerflamme zugewandten Oberfläche des Vorformlings führt. Da die Ablagerungsgeschwindigkeit wesentlich von der Oberflächentemperatur abhängt, trägt diese konstante Temperaturverteilung zu einer gleichmäßigen Ablagerung der Verbrennungsprodukte der Knallgasbrennerflamme bei.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende, schematische Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Vorrichtung zur Herstellung eines porösen Vorformlings mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt. Dabei wird der Vorformling für die optische Faser durch axiale Ablagerung aus der Dampfphase hergestellt.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, die die Funktionsweise einer Ausführungsform darstellt, bei der ein Vorformling durch axiale Ablagerung aus der Dampfphase hergestellt wird. Ein Muffelofen 12 weist im unteren Teil einer Seitenwand eine Auslaßöffnung 11 auf. Um einen Stau des Gases in dem Muffelofen zu ver­ meiden, sind nach einer bevorzugten Ausführungsform das Einlaßrohr und die Auslaßöffnung in dem Muffelofen an Stellen angebracht, die so weit wie möglich voneinander entfernt sind. Bei dem zylindrischen, vertikal angeord­ neten Muffelofen, wie er in der Figur dargestellt ist, befindet sich das Einlaßrohr zweckmäßigerweise an einer höheren Stelle und die Auslaßöffnung an einer unteren Stelle. Die Auslaßöffnung sollte jedoch an einer Stelle angeordnet werden, die höher als das obere Ende des Bren­ ners ist, um eine turbulente Strömung der nach oben gerich­ teten, von dem Brenner abgegebenen Gase zu verhindern und den Austritt der effektiv nicht reagierten Gase und Neben­ produkt-Gase zu ermöglichen. Beispielsweise ist bei dem in der Figur dargestellten Muffelofen, der bei einer Aus­ führungsform der Erfindung verwendet wird, die Auslaßöff­ nung 11 in einem Abstand von ungefähr 150 mm von dem obe­ ren Ende des Brenners 13 angeordnet. Dieser mit einer Knallgasflamme arbeitende Brenner 13 ist im Boden des Muf­ felofens angeordnet; von dem Brenner werden ein gasförmi­ ges, glasbildendes Material und ein Dotierungsmittel so­ wie Sauerstoff und Wasserstoff abgegeben, wodurch sich ei­ ne vorgegebene Verteilung der Gase im Innern des Muffel­ ofens einstellt, so daß das glasbildende Material durch Flamme hydrolysiert wird und sich ein glasartiges Verbren­ nungsprodukt ergibt. Der Muffelofen haltert eine Tragstan­ ge (Meade Stange) 14, die in den Muffelofen 12 durch eine Öffnung in seinem oberen Ende eingeführt wird; an dieser Stange 12 lagert sich das glasartige Verbrennungsprodukt in Form einer Stange 16 ab. Sobald sich das Verbrennungs­ produkt (soot) aufbaut, wird die Stange 14 unter gleich­ zeitiger Drehung durch einen Rotationsmechanismus 15 nach oben gezogen, wodurch an der Spitze der Stange 14 ein ge­ wachsener, poröser Vorformling für eine optische Faser zu­ rückbleibt.

Mit dem oberen Teil der Seitenwand des Muffelofens 12 ist ein Rohr 17 verbunden, durch das ein bestimmtes Gas, wie beispielsweise Luft oder Helium, zugeführt wird, so daß die in dem Muffelofen erzeugten Gase glatt und stoßfrei, also ohne Turbulenzen in einer bestimmten Richtung fließen: dieses Rohr wird teilweise durch eine Heizeinrichtung 18 für die Erwärmung des durchfließenden Gasstroms einge­ schlossen. Die Heizeinrichtung 18 wird in Abhängigkeit von einem Signal eines Thermoelementes 20, das in einem Teil des Rohrs 17 zwischen dem Muffelofen und der Heiz­ einrichtung installiert ist, durch eine Energiesteuerung 19 eingestellt.

Die Temperatur des durch das Rohr 17 in den Muffelofen fließenden Gases wird auf einen Wert eingestellt, der et­ was niederiger als die Temperatur des Gases in dem Muffel­ ofen ist, so daß dieses Gas aufgrund des Unterschiedes in der spezifischen Dichte beim Eintritt in den Muffelofen nach unten zu der Auslaßöffnung 11 sinkt; gleichzeitig wird das Abgas in dem oberen Teil des Muffelofens von die­ sem Gasstrom erfaßt und damit aus dem Muffelofen abgeführt. Als Ergebnis hiervon wird das Abgas, das ungünstige Wirkun­ gen auf dem Vorformling 16 für die optische Faser hat, sehr rasch aus dem Muffelofen ausgetragen. Andererseits wird jedoch die Zuführung eines großen Gasvolumens nicht für zweckmäßig gehalten, da es die Wahrscheinlichkeit für die Bildung turbulenter Konvektionsströme in dem Muffelofen erhöht. Beispielsweise bewirkt bei einem herkömmlichen, zylindrischen Muffelofen mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Höhe von 800 mm die Zuführung des Gases in einem Volumen von mehr als ungefähr 1 m³/Minute eine flackernde Bewegung der Flamme von mehr als 10 mm in der Mitte der Flamme. Andererseits führt die Zuführung eines zu geringen Gasvolumens, beispielsweise eines Volumens von weniger als 10 Liter/Minute, nicht zum effektiven Abtransport des nicht- reagierten Gases und der Nebenprodukt-Gase. Das Volumen des in dem Muffelofen gespeisten Gases ändert sich im we­ sentlichen in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Form und dem inneren Volumen des ver­ wendeten Muffelofens, dem Durchmesser der Auslaßöffnung, der Geschwindigkeit der von dem Brenner abgegebenen Gase und ähnlicher Parameter. Bei dem oben beschriebenen, zylin­ drischen Muffelofen kann beispielsweise das Gasvolumen im Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 500 Liter/Minute, nach einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 50 bis 100 Liter/Minute liegen. Das Gasvolumen sollte während der Herstellung des Verbrennungsproduktes auf einer kon­ stanten Geschwindigkeit gehalten werden. Wenn das Gas mit höherer Geschwindigkeit zugeführt wird, sollte die Kapa­ zität der Heizeinrichtung 18 entsprechend gesteigert wer­ den, so daß das Gas auf den gewünschten Temperaturwert erwärmt werden kann.

Die Temperaturverteilung in dem Muffelofen ist im allge­ meinen sehr groß, wobei die Temperatur sich mit der Ge­ schwindigkeit der von dem Brennerabgegebenen Gase ändert, d.h., mit der Produktionsgeschwindigkeit des Verbrennungs- Produktes. Die Temperatur des in den Muffelofen fließenden Gases sollte zweckmäßigerweise auf einen Wert eingestellt werden, der etwas (weniger als ungefähr 50°C) niedriger als die mittlere Temperatur des Gases in dem Muffelofen ist.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel

Auf eine Temperatur von 150°C erwärmte Luft wurde mit ei­ ner Geschwindigkeit von 40 Litern/Minute einem Muffelofen mit einem äußeren Durchmesser von 300 mm und mit einer Hö­ he von 800 mm zugeführt; dieser Muffelofen hatte eine Aus­ laßöffnung mit einem Durchmesser von 40 mm. Andererseits wurde von dem Brenner mit einer Geschwindigkeit von 1,5 g/ Minute SiCl₄ als gasförmiges, glasbildendes Material zuge­ führt; dabei diente Argon mit einer Strömungsgeschwindig­ keit von 150 cc/Minute als Trägergas; von einer Düse zwi­ schen den Düsen für die Zuführung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs wurden als Dichtungsgas 4 l/Minute Wasserstoff, 7 l/Minute Sauerstoff und 2 l/Minute Argon zugeführt; von dem Brenner wurden 0,2 g/Minute GeCl₄ mit Argon als Träger­ gas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 cc/Minute zugeführt. Der Bereich rund um den mittleren Teil der Sei­ tenwand des Muffelofens erreichte eine Temperatur von bis zu 180°C; die Flackerbewegung in der Mitte der Flamme wur­ de auf einen Wert von weniger als 2 mm im Durchmesser be­ grenzt. Das glasartige Verbrennungsprodukt bildete sich mit einer Niederschlagsrate von 0,4 g/Minute. Das sich ergebende, abgelagerte Verbrennungsprodukt hatte einen Durchmesser von 50 mm und eine Länge von 400 mm. Das Ver­ brennungsprodukt wurde zu einem transparenten, glasartigen Vorformling 16 verglast (zusammengedrückt); der Vorform­ ling wurde zu einer Faser gezogen, die ein Signal in einem Frequenzbereich von bis zu 800 MHz übertragen konnte.

Vergleichsbeispiel

Ungewärmte Luft (Raumtemperatur) wurde dem Muffelofen mit einer Geschwindigkeit von 40 Litern/Minute zugeführt; der Bereich rund um den mittleren Teil der Seitenwand erreichte nur eine Temperatur von 110°C; die Mitte der Flamme führte Flackerbewegungen in einem Ausmaß von 7 mm im Durchmesser aus. Die optische Faser, die durch Ablagerung des sich er­ gebenden Verbrennungsproduktes und Ziehen des Vorformlings erhalten wurde, konnte ein Signal im Frequenzbereich von nur bis zu 500 MHz übertragen.

Es läßt sich deshalb erkennen, daß das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sehr gut für die Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser mit minimaler Änderung in der Verteilung des Brechungsindex in axialer Richtung geeignet ist.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser durch Hydrolysieren eines gasförmigen, glasbildenden Materials in der Flamme eines Knallgasbrenners (13) und durch Ablagerung des sich ergebenden Verbrennungprodukts auf einem Ausgangskörper (14) in einem Muffelofen (12), wobei dem Muffelofen (12) außer dem von dem Knallgasbrenner (13) herrührenden Gas ein weiteres Gas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Gas mit einer konstanten, nur geringfügig unterhalb der Gastemperatur im Muffelofen (12) liegenden Temperatur zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Muffelofen (12) ein Rohr (17) für die Zuführung eines Gasstroms zusätzlich zum Gasstrom des Knallgasbrenners (13) aufweist, und daß eine Auslaßöffnung (11) für die nicht-reagierten Gase des Knallgasbrenners sowie für die bei der Flammenhydrolyse als Nebenprodukte entstehenden Gase, wie Chlorwasserstoff und Wasserdampf, und eine Heizeinrichtung (18) für die Erwärmung des dem Muffelofen (12) durch das Rohr (17) zugeführten Gases vorgesehen sind.