NL8601830A

NL8601830A - Werkwijze voor de vervaardiging van optische vezels met een kern en een mantel uit glas onder toepassing van de staaf in buistechniek.

Info

Publication number: NL8601830A
Application number: NL8601830A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-07-14
Filing date: 1986-07-14
Publication date: 1988-02-01
Also published as: EP0253427A1; DE3764735D1; CN87104844A; US4854956A; JPS6325239A; CN1010581B; EP0253427B1

Description

i^-rsr·.- ' - i PHN 11826 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Werkwijze voor de vervaardiging van optische vezels met een kern en een mantel uit glas onder toepassing van de staaf in buistechniek.

«

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van optische vezels met een kern en een mantel uit glas onder toepassing van de zogenaamde staaf in buis (Rod in tube) techniek.

5 De staaf in buis techniek is op zichzelf bekend. Bij deze techniek wordt gewoonlijk een staaf uit kernmateriaal in een buis uit mantelmateriaal geplaatst en het samenstel, eventueel nadat de buis eerst op de staaf door een warmtebehandeling is gekontraheerd, tot een optische vezel uitgetrokken.

10 Er werd vastgesteld dat bij een variant van deze werkwijze waarbij de staaf bestaat uit kernmateriaal en een omhulling uit kwartsglas de, via de staaf in buis techniek verkregen optische vezel soms niet voldeed aan bepaalde minimum eisen ten aanzien van de treksterkte.

15 Er werd ontdekt, dat breuk optredende bij het bepalen van de minimum treksterkte (screentest) in een dergelijk geval meestal is terug te voeren op verontreinigingen, die zich op het buitenoppervlak of in een zone van geringe diepte onder het buitenoppervlak van de kwartsglasbuis bevinden, waarin de staaf wordt geplaatst.

20 De genoemde verontreinigingen kunnen bestaan uit oxyden met een hoger smeltpunt dan kwartsglas of in het kwartsglas met snel diffenderende oxiden zoals aluminiumoxyde, chroomoxyde en zirkoondioxyde. Zowel vreemde deeltjes als conglomeraten van vreemde deeltjes blijken bij in de handel verkrijgbare uit kwartskristallen 25 vervaardigde kwartsglasbuizen, meestal dicht onder het oppervlak van de buis voor te komen.

Deze deeltjes stammen waarschijnlijk uit het fabricageproces. De dimensies van de genoemde conglomeraten zijn in de axiale en tangentiele richting van de buis hoogstens 100 pm. Zij 30 bevinden zich direkt onder het buitenoppervlak in een schil met een dikte van 10 pm.

Etsen van dergelijke kwartsglasbuizen met het doel de .850183 0 ΡΗΝ 11826 2 -4 . τ verontreinigde oppervlakte zone te verwijderen is mogelijk bijvoorbeeld met een fluorwaterstofzuuroplossing. Hierbij ontstaan echter in het oppervlak kleine putjes, terwijl in de praktijk blijkt dat de verontreinigingen, die een nadelig effect hebben op de treksterkte zich 5 moeilijk op deze wijze volledig laat verwijderen.

De uitvinding berust op de vaststelling, dat verontreinigingen in de vorm van oxidische·deeltjes door middel van een thermische behandeling in voldoende mate kunnen worden opgelost om de schadelijke werking van deze deeltjes op de mechanische eigenschappen 10 van de gerede optische vezel te elimineren.

De uitgevonden werkwijze draagt het kenmerk dat de volgende werkwijze-stappen in de aangegeven volgorde worden uitgevoerd: - op de binnenzijde van een buis uit kwartsglas wordt een laag kernglas aangebracht; 15 - de inwendig bedekte buis wordt gekontraheerd tot een massieve staaf van gelijke of nagenoeg gelijke lengte; - het buitenoppervlak van een buis uit kwartsglas wordt op een temperatuur van 2100°C of hoger verhit gedurende een tijd voldoende om verontreinigingen bestaande uit hoogsmeltende oxyden, die 20 zich bevinden in een oppervlaktelaag met een diepte van 10 pm in voldoende mate op te lossen om de schadelijke werking op de mechanische eigenschappen van de gerede optische vezel te elimineren; - de verkregen staaf wordt in de thermisch voorbehandelde buis uit kwartsglas geplaatst; 25 - waarna het samenstel van staaf en thermische voorbehandelde buis wordt uitgetrokken tot een optische vezel.

Bij deze werkwijze verdwijnen de schadelijke deeltjes geheel of worden zo gering van afmeting dat de kritische breukgrens door de afmeting van de deeltjes niet meer wordt overschreden {wet van 30 Griffith, die stelt dat de kritische breukgrens evenredig is met de wortel uit de reciproke lengte van een discontinuïteit).

Bij de werkwijze volgens de uitvinding kunnen de bij de fabricage van optische vezels gebruikelijke inwendige depositie methoden worden toegepast zoals bijvoorbeeld MCVD (modified chemical vapor 35 deposition) en PCVD (plasma activated chemical vapor deposition), zie bijvoorbeeld het overzichtsartikel van Dr. G. Koel : "Technical and economic aspects of the different fibre fabrication processes" in Proc.

ISO 1830 f'·- '.··· — w PHN 11826 3 8th European Conf, on Optical Communication (8 ECQC), Cannes Sept. 1982, pages 108.

Het kontraheren van de inwendige bedekte buis vindt op de gebruikelijke wijze plaats door middel van een thermische behandeling, 5 waarbij onder invloed van de oppervlaktespanning en drukverschil de buis dichttrekt tot een staaf. Tijdens de kontraktie wordt de buis geroteerd. De lengte van de staaf is gelijk of nagenoeg gelijk aan die van de uitgangsbuis. De verkregen staaf wordt in de buis uit kwarstglas geplaatst. De inwendige diameter van de buis behoeft hierbij slechts 10 zoveel groter te zijn dan de diameter van de staaf, dat de laatste zich makkelijk in de buis laat aanbrengen. De kwartsglasbuis wordt voordat de staaf daarin wordt geplaatst onderworpen aan een thermische behandeling. Het is daarbij voldoende indien de buis tot een diepte van ca. 10 pm op een temperatuur van 2100°C of hoger wordt gebracht.

15 Geschikte middelen om een dergelijke verhitting uit te voeren zijn warmtebronnen, die een grote hoeveelheid thermische energie in korte tijd kunnen overdragen zoals een waterstof-zuurstofbrander of een plasmabrander.

Bij voorkeur wordt een plasmabrander toegepast, waarbij 20 het plasma wordt gevormd in een gas, dat althans gedeeltelijk bestaat uit een moleculair gas, zoals bijvoorbeeld stikstof en zuurstof. De energie overdracht van een dergelijk plasma aan het te verhitten oppervlak vindt in hoofdzaak plaats door recombinatie van gedisscocieerde moleculen aan het oppervlak. Hierbij komt de 25 bindingsenergie van de moleculen van het gas vrij. Dit leidt tot zeer hoge temperaturen in een dun oppervlaktelaagje, waardoor conglomeraten van vreemde deeltjes binnen enkele seconden in het kwartsglas kunnen worden opgelost.

In de praktijk is gebleken dat het voordelig is het 30 buitenoppervlak van de buis uit kwartsglas aan een nat-chemische etsbehandeling te onderwerpen, alvorens het buitenoppervlak wordt verhit op een temperatuur > 2100°C. Het etsen kan bijvoorbeeld plaatsvinden met een waterige fluorwaterstofzuuroplossing, bijvoorbeeld een oplossing van 15-20 gew. % HF in water. Bij het etsen met fluorwaterstofzuur 35 worden de conglomeraten van vreemde deeltjes nauwelijks of niet aangetast, doch het omringende kwartsglas wel. Na het bereiken van een zekere etsdiepte (ca 10 pm) breken delen van conglomeraten reeds bij 1601830 * *.· PHN 11826 4 zeer geringe krachten uit het oppervlak los, Vergelijke krachten treden bijvoorbeeld op bij het afspoelen van het etsmiddel. De resulterende holten in het oppervlak worden bij de daaropvolgende warmtebehandeling bij een temperatuur > 2100°C binnen enkele seconden gesloten terwijl 5 in de holten nog aanwezige vreemde deeltjes daarbij oplossen.

Het verdient daarbij aanbeveling tijdens de thermische behandeling het inwendige van de buis uit kwartsglas op een druk te brengen en te houden hoger dan de omgevingsdruk. De overdruk bedraagt daarbij bijvoorbeeld ca 50 Pa. Hierdoor wordt voorkomen dat de inwendige en uitwendige 10 diameters van de buis zich oncontrolleerbaar wijzigen door kontraktie van de buis onder invloed van de oppervlaktespanning. Op deze wijze is het echter ook mogelijk door een geschikte keuze van de overdruk en thermische behandeling de buis op gecontrolleerde wijze op een kleinere dan de uitgangsdiameter te brengen om daardoor een betere passing tussen 15 staf en uitwendige buis te krijgen.

Bij een variant van de uitgevonden werkwijze wordt de verkregen staaf in een buis uit kwartsglas geplaatst waarna de buis uit kwartsglas op de staaf wordt gekontraheerd tot een massief samenstel.

Het buitenoppervlak van het massieve samenstel wordt vervolgens op een 20 temperatuur van 2100°C of hoger verhit gedurende een tijd voldoende om verontreinigingen bestaande uit hoogsmeltende oxyden, die zich bevinden in een oppervlaktelaag met een diepte van 10 pm in voldoende mate op te lossen om de schadelijke werking op de mechanische eigenschappen van de gerede optische vezel te elimineren. In een volgende stap wordt het 25: thermisch behandelde massieve samenstel uitgetrokken tot een optische vezel.

Ook bij deze variant van de uitgevonden werkwijze verdient het aanbeveling het buitenoppervlak van de buis uit kwartsglas te onderwerpen aan een nat-chemische etsbehandeling. Bij voorkeur wordt 30 deze behandeling uitgevoerd voordat de buis met de staaf tot een massief samenstel wordt verenigd.

Uitvoerinqsvoorbeeld.

In de handel verkrijgbare buizen uit kwartsglas van een voldoende zuiverheid om te kunnen worden gebruikt bij de vervaardiging 35 van optische vezels vertoonden aan het buitenoppervlak conglomeraten van in hoofdzaak Zr02 deeltjes met een afmeting in de tangentiele en axiale richting tussen 10 en 100 pm. De dikte van conglomeraten 1601830 PHN 11826 5 bedroegen enkele pms tot een max. van 10 pm. Na het kontraheren van een buis op een staaf en trekken tot een vezel zonder dat enige poging was gedaan de conglomeraten te verwijderen of op te lossen bleek dat breuk bij de relatieve screentest vrijwel altijd was terug te voeren op 5 de aanwezigheid van conglomeraten van Zr02~deeltjes op en dicht onder het oppervlak van de vezel.

Werd het oppervlak van de kwartsbuis onderworpen aan een nat-chemische etsbehandeling bijvoorbeeld met een 15 gew. %-ige waterige HF-oplossing dan bleek dat de conglomeraten van Zr02 deeltjes niet of 10 nauwelijks worden aangetast. Wel werd het kwartsglas rondom de conglomeraten aangetast. Bij het bereiken van een kritische etsdiepte van ca. 10 pm, braken delen van de conglomeraten weg onder invloed van kleine krachten bijvoorbeeld bij het spoelen met water om het etsmiddel te verwijderen. Op deze wijze resulteert echter een ruw oppervlak. Bij 15 een thermische behandeling bij 2100°C of hoger verdwijnen de onregelmatigheden echter binnen enkele seconden en lossen de overgebleven verontreinigingen op.

Het effect van de thermische behandeling bij 2100°C werd vastgesteld door het zirkoon concentratie profiel door middel van 20 EDAX aan het oppervlak te meten. Dit concentratieprofiel bleek, als blijkt uit tabel 1 afhankelijk van de tijdsduur van de behandeling.

Tabel 1: 25 Diameter zirkooninhomogeniteit Duur van de behandeling tijdens de Zr02~diffusie middels bij 2100°C in sec.

thermische behandeling 108 pm 2 30 156 pm 3 200 pm 4

Zr02 blijkt door diffusie op te lossen. Er ontstaat daarbij een zirkoonrijke glasspot waarvan de diameter in de tijd groter wordt. Een 35 dergelijke spot heeft geen merkbare invloed op de treksterkte bepaald volgens de screentest, zoals blijkt uit de volgende tabel 2: 8601330 Γ ΡΗΝ 11826 6

Tabel 2:

Uitval bij de relatieve screentest ten gevolge van glasfouten in % 5

Zonder thermische behandeling ca, 35¾

Met na chenmisch etsen en thermische behandeling volgens de uitvinding 1% of minder 10

De diameter van de vezel bedroeg in alle gevallen 125 pm.

De vezel was verkregen door depositie van een kernglas op de binnenwand van een buis uit kernglas. Na kontraktie tot een massieve staaf werd een mantel uit kwartsglas aangebracht met de staaf in buistechniek. Na 15 het trekken van de vezel bedroeg de kerndiameter 50 pm.

Bij een screentest wordt de gehele uit een voorvorm getrokken lengte van een optische glasvezel onderworpen aan een konstante kracht gedurende een zekere tijd.

Het doel van deze test is vast te stellen of de optische 20 glasvezellengte diskontinuiteiten bevat, die aanleiding kunnen geven tot breuk indien de optische glasvezel onderworpen wordt aan een veel geringere kracht dan die gebruikt wordt bij de screentest.

3601830

Claims

1. Werkwijze voor de vervaardiging van optische vezels met een kern en een mantel uit glas onder toepassing van de zogenaamde staaf in buis techniek, met het kenmerk, dat de werkwijze de volgende stappen in de aangegeven volgorde omvat : 5. op de binnenzijde van een buis uit kwartsglas wordt een laag kernglas aangebracht; - de inwendig bedekte buis wordt gekontraheerd tot een massieve staaf van gelijke of nagenoeg gelijke lengte; - hét buitenoppervlak van een buis uit kwartsglas wordt op een 10 temperatuur van 2100°C of hoger verhit gedurende een tijd voldoende om verontreiniging bestaande uit hoogsmeltende oxyden, die zich bevinden in een oppervlaktelaag met een diepte van 10 pm in voldoende mate op te lossen om de schadelijke werking op de mechanische eigenschappen van de gerede optische vezel te elimineren? 15. de verkregen staaf wordt in de thermische voorbehandelde buis uit kwartsglas geplaatst; - waarna het samenstel van staaf en thermische voorbehandelde buis wordt uitgetrokken tot een optische vezel.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 20 oppervlak van de buis aan een nat-chemische etsbehandeling wordt onderworpen alvorens het buitenoppervlak wordt verhit op een temperatuur boven 2100°C.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het buitenoppervlak van de buis op een temperatuur boven 2100°C wordt 25 verhit met een plasma dat wordt gevormd in een gas, dat althans gedeeltelijk bestaat uit een moleculair gas.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het inwendige van de buis zich tijdens de thermische behandeling bevindt op een druk hoger dan de omgevingsdruk.

5. Variant van de werkwijze volgens conclusie 1 voor de vervaardiging van optische vezels met een kern en een mantel uit glas onder toepassing van de zogenaamde staaf in buis techniek, met het kenmerk, dat de werkwijze de volgende stappen in de aangegeven volgorde omvat : 35. op de binnenzijde van een buis uit kwartsglas wordt een laag kernglas aangebracht; - de inwendig bedekte buis wordt gekontraheerd tot een massieve staaf 9601830 PHN 11826 8 van gelijke of nagenoeg gelijke lengte; - de verkregen staaf wordt in een buis uit kwartsglas geplaatst; - de buis uit kwartsglas wordt op de staaf gekontraheerd tot een massief samenstel; 5. het buitenoppervlak van het massieve samenstel wordt op een temperatuur van 2100° of hoger verhit gedurende een tijd voldoende om verontreiniging bestaande uit hoogsmeltende oxyden, die zich bevinden in een oppervlaktelaag met een diepte van 10 pm in voldoende mate op te lossen om de schadelijke werking op de mechanische 10 eigenschappen van de gerede optische vezel te elimineren; - waarna het samenstel wordt uitgetrokken tot een optische vezel.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het buitenoppervlak van de buis voordat deze met de staaf tot een samenstel wordt verenigd aan een nat-chemische etsbehandeling wordt onderworpen.

7. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het oppervlak van het samenstel op een temperatuur boven 2100°C wordt verhit met een plasma dat wordt gevormd in een gas, dat althans gedeeltelijk bestaat uit een moleculair gas. < 86 0 1 Cc {