DE3936006A1 - Verfahren zum herstellen von vorformen fuer daempfungsarme optische fasern - Google Patents

Description

Zum Herstellen von Vorformen für optische Fasern wird beim sogenannten Innenbeschichtungsverfahren ein Quarzglasrohr als Ausgangskörper verwendet. Dieses Quarzglasrohr wird gereinigt und mit mehreren Schichten versehen, welche nach der CVD- Methode hergestellt werden. Dabei werden als erste Schichten die sogenannten Mantelschichten durch Reaktion aus der Gas­ phase niedergeschlagen und zuletzt die Kernschichten, welche einen höheren Brechungsindex als die Mantelschichten auf­ weisen. Diese Vorform wird anschließend zu einem Vollstab kollabiert, welcher anschließend zur Faser ausgezogen wird.

Da das Beschichtungsrohr aus reinstem Quarzglas besteht, die darauf niedergeschlagenen Schichten jedoch aus mit verschie­ denen Stoffen dotiertem Quarzglas bestehen, haben sie unter­ schiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Diese unterschiedlichen thermisch-mechanischen Eigenschaften führen je nach Tempera­ turführung beim Kollabieren und Faserziehen zu inneren Spannungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dämpfungsarmen optischen Fasern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Übergang vom reinen Quarzglas zu den darauf abgeschiedenen optischen Glasschichten zu verbessern, so daß eine optische Faser mit verminderten Dämpfungswerten für die zu über­ tragenden Lichtwellen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die gekennzeichneten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Reines Quarzglas ist bei 1750°C zwar weich, besitzt jedoch noch eine so große Viskosität, daß es nicht als flüssig zu bezeichnen ist. Beim Niederschlagen von Schichten auf dem Quarzglas, welche eine hohe Porosität besitzen, muß durch das Konsolidieren, welches eine Wärmebehandlung oberhalb von 1750°C darstellt, ein Verglasen dieser Schichten auf der Innenfläche des Quarzrohres erfolgen. Dieser Prozeß läuft in der Regel nach dem Aufbringen des Quarzrußes automatisch ab, d. h. die heiße Zone wird längs des Quarzrohres über die gerade aufgebrachte poröse Schicht hinweggeführt. Dadurch sintern die einzelnen Glaspartikel zu einer glasigen Schicht zusammen, welche im allgemeinen keine größeren Anteile von Luftblasen enthält. Jedoch ist bereits die erste aufgebrachte Schicht bei mikroskopischer Betrachtung nicht blasenfrei zu erschmelzen (siehe Fig. 1a). Dieses liegt offenbar daran, daß die Oberfläche des Quarzrohres feine Risse aufweist. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß die erste aufgebrachte Schicht eine besonders niedrige Viskosität aufweist und beim Konsolidieren alle Hohlräume und Risse 3 im Glasrohr ausfül­ len kann (siehe Fig. 1b).

Es ist auch das Ziel der Erfindung, beim Ziehen der Faser aus dem Vorformstab Spannungsbildungen beim Erkalten der Faser zu vermeiden. Als Ursache von mechanischen Spannungen wird die Tatsache angesehen, daß die verschieden dotierten Glasschich­ ten sehr unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Eine bei einer bestimmten Temperatur besonders niedrigviskose Schicht kann beim Erkalten der Faser, welches sehr schnell vor sich geht ("Abschrecken"), einen gewissen Ausgleich schaffen und den Spannungsabbau begünstigen. Spannungen, die durch ungenügenden Abbau "eingefroren" werden, führen zu Dämpfungserhöhungen in der Faser. Die Erfindung hat den Vor­ teil, daß diese Dämpfungserhöhungen weitgehend vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 sche­ matisch die stark vergrößerte Oberfläche des Quarzrohres. Die Figur zeigt das Brechzahlprofil der fertigen Faser.

Zunächst wird ein Quarzrohr in eine Glasdrehbank eingespannt und mit Anschlüssen einerseits zum Zuführen, andererseits zum Ableiten von Gasen versehen. Das gereinigte Rohr wird innen mit mehreren Schichten versehen, wobei eine äußere Wärme­ quelle oder Ofen für jede Schicht einmal entlang des Quarz­ rohres bewegt wird. Unter der Einwirkung von Hitze oxidiert in einem Trägergas zugeführter Sauerstoff und Siliziumtetra­ chlorid zu SiO₂. Zum Herstellen unterschiedlicher Brechzahlen wird dem Siliziumtetrachlorid vor dem Oxidieren SF₆, CClF₃ sowie POCl₃ beigemischt.

Vor dem Abscheiden der eigentlichen Mantelschichten wird zumindest eine Schicht abgeschieden, deren Brechzahl un­ wesentlich ist, weil sie lediglich eine besonders niedrige Viskosität bei Temperaturen oberhalb von 1750°C haben soll um Gaseinschlüsse 3 zu vermeiden (s. Fig. 1a und 1b). Zur Herstellung dieser Schicht wird der für die Herstellung des Mantels vorgesehenen Gasmischung eine 20-50prozentige Erhöhung des POCl₃-Gehalts vorgesehen. Damit verbunden ist auch eine etwa 20-50prozentige Erhöhung des P₂O₅-Gehaltes dieser ersten aufgebrachten Schicht. Beim Zurückfahren des Ofens über die zunächst als Rußschicht aufgebrachte erste Schicht wird diese erschmolzen und zu einem völlig transpa­ renten Glas konsolidiert (gesintert). Diesem Beispiel entspricht der mit der durchgezogenen Linie dargestellte Verlauf der Brechzahl in Fig. 2.

Dem Verlauf der strichpunktierten Linie entspricht ein sehr geringer P-Gehalt. Diese Schicht kann in Abwandlung des bevorzugten Verfahrens zusätzlich mit Fluor dotiert werden.

Durch diese Dotierung sinkt der Brechungsindex von reinem Quarz (N=1,4566; He-Ne Laser) beispielsweise auf 1,456 ab. Die nächsten zehn Schichten des Mantels werden durch P und F so dotiert, daß die Brechzahl etwa den Wert 1,457 aufweist. Diesen Wert sucht man möglichst konstant zu halten, bis zu den späteren Kernschichten 4, welche die Brechzahl 1,462 er­ halten.

Zum anschließenden Kollabieren wird das Rohr innen geätzt und liegt nach Durchlauf einer heißen Zone von etwa 2000°C als massiver Stab vor. Dieser Stab wird in die Ziehanlage einge­ spannt und zu einer Faser ausgezogen. Da in der äußeren Mantelschicht eine geringere Viskosität des Materials vorge­ sehen ist, ist der gesamte Mantel und Kernbereich im äußeren Quarzrohr so lange beweglich, bis auch diese Schicht beim Ab­ kühlen der Faser in den festen Zustand übergegangen ist. Auf diese Weise werden der äußere Mantel vom inneren Mantel ent­ koppelt und innere Spannungen beim Abkühlen herabgesetzt. Damit bleibt die wellenlängenunabhängige Zusatzdämpfung gering. Es bleibt in weiten Grenzen nur die Rayleigh-Streuung übrig. Durch das Verfahren nach der Erfindung können auch Quarzrohre minderer Qualität als Ausgangspunkt des Herstel­ lungsverfahrens verwendet werden.

Ein weiterer Aspekt ist die wirtschaftliche Herstellung von Vorformen mit möglichst dicken Mantelschichten. Durch die er­ findungsgemäße Vorgehensweise ist es möglich, die nachfolgen­ den Mantelschichten auf größte Schichtdicke zu optimieren. Das ist vorteilhaft, da bereits durch eine dünne Schicht die Entkopplung von reinem Quarzglas und Mantelglas gewährleistet ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen einer Vorform für dämpfungsarme optische Fasern, mit einem Trägerrohr aus hochreinem Quarz, welches in eine Glasdrehbank eingespannt, dessen Innenfläche chemisch gereinigt und anschließend nach dem CVD-Verfahren mit verschieden dotierten Quarzglas­ schichten innenbeschichtet wird, wobei die Kernglas­ schichten einen höheren Brechungsindex aufweisen als die des Mantels, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Schicht auf dem Trägerrohr (1) eine oberhalb von 1750°C schmelzflüssige Schicht (2) mit niedriger Viskosität aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigviskose Schicht eine Stärke von 30 bis 60 µm besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die niedrigviskose Schicht (2) mit P₂O₅ dotiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigviskose Schicht (2) mit P₂O₅ und Fluor dotiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigviskose Schicht mit 20-50% mehr P₂O₅ dotiert wird als die folgenden Schichten.