WO2005095294A2 - Verfahren zur herstellung eines optischen bauteils - Google Patents

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WO2005095294A2
WO2005095294A2 PCT/EP2005/002784 EP2005002784W WO2005095294A2 WO 2005095294 A2 WO2005095294 A2 WO 2005095294A2 EP 2005002784 W EP2005002784 W EP 2005002784W WO 2005095294 A2 WO2005095294 A2 WO 2005095294A2
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jacket tube
core rod
tube
inner jacket
holding device
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Achim Hofmann
Clemens Schmitt
Jan Vydra
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Heraeus Tenevo Gmbh
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/01205—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments
    • C03B37/01211—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments by inserting one or more rods or tubes into a tube
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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    • C03B37/012—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/01205—Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments
    • C03B37/01225—Means for changing or stabilising the shape, e.g. diameter, of tubes or rods in general, e.g. collapsing
    • C03B37/0126—Means for supporting, rotating, translating the rod, tube or preform
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2201/00—Type of glass produced
    • C03B2201/02—Pure silica glass, e.g. pure fused quartz
    • C03B2201/03—Impurity concentration specified
    • C03B2201/04—Hydroxyl ion (OH)

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an optical component from synthetic quartz glass, in which a coaxial arrangement - comprising an outer jacket tube, an inner jacket tube having an inner bore and a core rod resting in the inner bore with its lower end face on an abutment - in a vertical orientation fed to a heating zone, softened zone by zone and elongated to the quartz glass component.
  • a method according to the type mentioned is known, in which a core rod is covered simultaneously with an inner jacket tube and with an outer jacket tube in a vertical arrangement as part of an elongation process.
  • the outer casing tube is constricted in the area of its lower end.
  • the constriction serves as an abutment for a retaining ring which, in the case of a vertically oriented outer casing tube, is inserted from above into the inner bore of the casing tube.
  • the retaining ring has an outer diameter that is smaller than the inner diameter of the outer jacket tube, but slightly larger than the inner diameter of the constriction, so that the retaining ring extends from above onto the area of the Constriction hangs up.
  • the conically shaped lower end of the core rod extends through the central bore of the retaining ring and thus forms a stop for the core rod.
  • the first inner jacket tube lies on the end face of the retaining ring.
  • This method is used to fix the components (core rod and two
  • Jacket pipes required the production of a constriction to each other.
  • the production of the constriction requires a particularly complex hot deformation step, particularly in the case of the outer casing tube, which generally has a particularly large cross section and thus a large mass to be heated.
  • a lost quartz glass element in the form of the retaining ring which is adapted to this constriction is required.
  • the proposed way of holding the individual components to one another requires that this retaining ring be oriented as precisely as possible horizontally, but this is made more difficult by the fact that the constriction is produced by glass-blowing techniques with the known restrictions regarding dimensional accuracy.
  • the components fixed to one another by means of the retaining ring are then fused to one another at their upper ends, a vacuum being generated and maintained in the inner bore of the outer casing tube.
  • a sealing ring is required to seal the gap between the inner and outer casing tube, which also helps to fix the components to one another in the upper region of the arrangement.
  • An additional heating process step is required to fuse the upper ends; Deviations from the target geometry that occur here can hardly be corrected later.
  • the reproducible production of an optical component of high quality requires a large amount of production and time in this procedure in order to ensure an exact coaxial arrangement and fixation of the core rod and casing tubes to one another before the elongation process.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a simple and inexpensive method for producing high-quality optical components by elongating a coaxial arrangement of the core rod and a plurality of jacket tubes.
  • this object is achieved according to the invention in that the abutment is designed as a constriction of the inner bore of the inner jacket tube.
  • a retaining ring can be dispensed with, as a result of which the manufacturing outlay for the manufacture of the retaining ring is eliminated, as is the problem explained above, which are associated with a horizontal orientation of the retaining ring and the fixing of the core rod and inner jacket tube.
  • the inner jacket tube generally has a lower mass than the outer jacket tube.
  • the formation of a constriction of the inner diameter in the inner jacket tube is therefore less complex and the generation of a predetermined geometry is technically simpler.
  • the method according to the invention therefore requires a comparatively lower outlay.
  • the outer jacket tube can consist of one or more tubes. It has no significant effects on the light guidance of the optical component. Therefore, the requirements for the optical properties of the quartz glass for the outer jacket tube are comparatively low. The quartz glass required for this is therefore particularly inexpensive to produce for the inner jacket tube compared to quartz glass. For this reason, the ta- ⁇ arp> inn ⁇ rp casing tube becomes as thin as possible. however, as thick as necessary executed.
  • the inner jacket tube typically has a wall thickness in the range from 5 to 20 mm. In the optical component, the volume fraction of the quartz glass that comes from the outer jacket tube is 80% or more.
  • the inner bore of the inner jacket tube is completely or partially closed.
  • the narrowing is provided with an axially continuous opening, which allows the inner bore to be flushed with gas until the inner bore has completely collapsed during elongation. This process variant is therefore preferred.
  • the core rod has a core area with a
  • the volume fraction of the innermost cladding glass layer that is close to the core and therefore particularly complex to produce is increased for cost reasons
  • the core rod is formed from core rod pieces lined up in abutting fashion.
  • the core rod pieces can be fused together or stacked loosely one above the other.
  • the latter procedure is preferred because the core rod pieces on the one hand allow a narrower safety gap between the jacket tube and the core rod, and moreover automatically due to radial mobility within the jacket tube during the elongation process center, provided that the end faces are displaceable against each other, for example, they are flat.
  • the stop prevents the core rod from “floating up” during the elongation process. This is particularly advantageous when a number of core rod pieces are used.
  • the stop is formed, for example, by means of a retaining pin that projects through the wall of the inner casing tube into its inner bore and is removable.
  • a small gap width facilitates the elongation process and ensures high dimensional accuracy (especially a low ovality) and low eccentricity of the core in the optical component.
  • an outer annular gap with an average gap width of at most 2 mm, preferably of at most 1 mm, is provided between the inner jacket tube and the outer jacket tube.
  • the inner casing tube is kept movable in the lateral direction.
  • Casing tube which allows, for example, a shift transverse to the direction of pull or a swing in the sense of a Karadan suspension. It has proven to be advantageous to melt a holding cylinder made of quartz glass at the upper end of the outer casing tube.
  • the holding cylinder consists of quartz glass of inferior quality and forms part of the holding device for the outer casing tube. It replaces more expensive quartz glass and reduces material losses. In the simplest case, it is a hollow cylinder with the same or similar lateral dimensions as the outer jacket tube.
  • a design of the holding cylinder is particularly suitable, in which a circumferential groove is provided for the engagement of a gripper.
  • a first holding device engages at the upper end of the outer casing tube and a second holding device acts on the upper end of the inner casing tube, the first holding device and the second holding device being mechanically independent of one another.
  • the inner jacket tube together with the core rod arranged therein and the outer jacket tube can be moved separately from one another in the pulling direction and transversely thereto.
  • a first holding device acts on the upper end of the outer jacket tube, the upper end of the inner jacket tube being held on the outer jacket tube or on the first holding device.
  • the outer jacket tube serves at the same time for guiding and fixing the inner jacket tube together with that Fine> seoarate holding device for the guide and Fixation of the inner casing tube and the core rod is avoided.
  • a method variant is particularly simple in which the upper end of the inner jacket tube or a mechanical extension of the inner jacket tube is provided with an outer collar which rests on the outer jacket tube or on a mechanical extension thereof.
  • the outer collar is designed, for example, as an outwardly projecting bead or as an outwardly projecting widening of the upper end of the inner casing tube, it being necessary to ensure that the outer collar extends so far that it is on the top of the outer casing tube or on an extension of the same (for example by means of the holding cylinder described above).
  • the inner jacket tube advantageously has an average hydroxyl group content of less than 1 ppm by weight.
  • a further improvement is achieved if the inner jacket tube is produced by elongating a hollow cylinder that has been mechanically machined to the final dimension.
  • a thick-walled quartz glass cylinder with precisely defined dimensions can first be produced using known grinding and honing processes and suitable commercially available devices. Due to the subsequent elongation process, the riirku / ⁇ nrti ⁇ pn fiin Ouarz ⁇ las jacket pipe produced. that multiple the length of the cylinder and in particular has a particularly smooth inner bore generated in the melt flow. This smooth inner surface leads to a particularly low-defect contact surface when fused with the core rod, which has an advantageous effect on the quality of the optical component.
  • the outer casing tube is in the form of a hollow cylinder mechanically machined to its final dimensions.
  • a jacket tube mechanically machined to the final dimension is also to be understood as a jacket tube whose inner surface has been mechanically machined to the final dimension and which is subsequently cleaned by etching. Uniform etching processes do not significantly change the geometric final shape of the hollow cylinder (such as a bend or an ovality in cross-section).
  • the outer casing tube is formed with a lower end tapering downwards.
  • the shape of the lower end of the outer jacket tube which is approximated to that of an onion, facilitates the start of the elongation process (tightening).
  • FIG. 1 a first embodiment of an arrangement of core rod, inner jacket tube and outer jacket tube before the elongation process
  • Figure 2 a second embodiment of this arrangement.
  • the arrangement according to Figure 1 shows a core rod 1, which consists of several Hydroxyl group content of less than 1 ppm by weight, and which are loosely stacked in the inner bore of an inner jacket tube 3.
  • the end faces of the core rod sections 2 are flat, so that they can slide to a certain extent in the lateral direction within the inner bore of the inner casing tube 3 and thus contribute to self-centering in the elongation process.
  • the core rod sections 2 each consist of a core area made of germanium-doped quartz glass with an outer diameter "d ⁇ " of 11 mm, which is surrounded by an inner cladding area of undoped quartz glass and which has an outer diameter "d M " of 28 mm.
  • the ratio of "d” to "d ⁇ " is thus 2.55.
  • the inner casing tube 3 with an inner diameter of 30.0 mm and an outer diameter of 50 mm is surrounded by an outer casing tube 4, the inner diameter and outer diameter of which are 52 and 150 mm, respectively.
  • annular gap 12 with a gap width which is on average 1 mm
  • annular gap 13 with an average gap width of 1 mm
  • the inner jacket tube 3 consists of high-purity, synthetically produced quartz glass with an average hydroxyl group content of 0.3 ppm by weight.
  • the casing tube 3 is produced by stretching a hollow cylinder machined to its final dimension, and therefore has a particularly smooth inner bore produced in the melt flow with an average roughness depth (R a value) of approximately 0.2 ⁇ m.
  • the lower end of the inner jacket tube 3 has a region which tapers downward and forms a constriction 6 of the inner bore of the inner jacket tube 3.
  • the narrowing 6 of the inner bore is such that a continuous opening 7 with an opening width of 10 mm to the inner bore remains.
  • the lower end of the core rod 1 sits on this constriction 6.
  • the top of the core rod 1 is formed by a fixing rod 8, which is prevented from “floating” during the elongation process explained in more detail below by means of a pin which is inserted through the wall of the inner casing tube 3 and extends into the inner bore.
  • the outer casing tube 4 is machined to its final dimensions and it is also made of synthetically produced quartz glass.
  • the lower end 9 of the outer casing tube 4 tapers downward, which makes it easier to tighten during the elongation process.
  • the outer casing tube 4 is extended upwards by means of a fused holding cylinder 10, which consists of a low-quality quartz glass.
  • the holding cylinder 10 is provided with a circumferential rectangular groove 11, which serves as a receptacle for a first gripper (not shown in the figure), is held and moved by means of the outer casing tube 4.
  • connection point 14 of the holding cylinder 10 and the outer jacket tube 4 and the contact point between the fixing rod 8 and the uppermost core rod section 2 are at the same height.
  • the inner jacket tube 3 together with the core rod 1 fixed therein is gripped and guided with a second gripper (not shown in the figure) and can be moved independently of the outer jacket tube 4 by means of this.
  • the gripper for mounting the inner jacket tube 3 is gimbal-mounted, so that the inner jacket tube 3 can be pivoted about the gimbal in a direction transverse to the direction of drawing (direction arrow 5), which contributes to self-centering during the elongation process.
  • the inner jacket tube 3 in the arrangement in FIG. 2 is not held and guided by means of a separate gripper, but rather by means of the outer jacket tube 4.
  • the upper end of the inner jacket tube 3 has an outwardly facing collar 16 provided, which rests on the top of the holding cylinder 10.
  • the core rod sections 2 are first produced using the VAD method.
  • a soot body is produced by axially depositing a central Ge0 2 -doped core layer and a surrounding undoped SiO 2 layer on a rotating support, which is then subjected to a dehydration treatment in a chlorine-containing atmosphere and in a glazing furnace at a temperature in the region of 1350 ° C is glazed so that a core rod with an outer diameter of 28 mm and the desired refractive index profile is obtained.
  • the weight of a single core rod section depends on its length, which can be very different.
  • the core rod sections 2 form a core region with a diameter of approximately 8.5 ⁇ m.
  • the same can also be produced by the known MCVD, OVD, PCVD or FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition) process.
  • additional cladding material for the formation of the outer cladding glass layer is provided in the form of the cladding tubes 3 and 4, which are collapsed in the case of the stainless steel 1.
  • the manufacture of the Jacket tube 3, 4 is carried out using a conventional OVD method without adding a dopant.
  • the outer wall of the quartz glass tubes obtained is cut to the desired size in several work steps by means of circumferential plunge or longitudinal grinding
  • the inner bore is drilled out by means of a drill and reworked by honing for the purpose of high-precision finishing in terms of shape and surface properties. In this way, a straight bore with an exactly circular cross-section is obtained which runs in the longitudinal axis direction.
  • the respective quartz glass tube is briefly etched in a hydrofluoric acid bath, the HF concentration of which is between 5% and 30%.
  • the quartz glass tube thus obtained is elongated to twelve times its initial length, so that an inner jacket tube 3 with the above-mentioned
  • the outer jacket tube 4 is produced in a similar manner, the elongation step and the formation of a taper being omitted.
  • the conical area 9 of the outer casing tube 4 is by mechanical
  • the holding cylinder 10 provided with the circumferential groove 11 is melted onto the upper end of the outer casing tube 4.
  • the inner bore of the inner casing tube 3 is filled with core rod sections 2 and the fixing rod 8, the introduction of the core rod sections 2 being facilitated because of their short lengths.
  • the inner jacket tube 3 is then connected to a gripper which engages at the upper end of the jacket tube 3 and inserted into the outer jacket tube 4.
  • the outer casing tube 4 is also gripped by means of a further gripper which engages in the circumferential groove 11.
  • This coaxial arrangement of core rod 1, inner jacket tube 3 and outer jacket tube 4 is then softened in a vertical orientation starting with the lower end in an annular furnace at a temperature of around 2050 ° C., and an optical fiber is drawn off from the softened area.
  • a nitrogen purge gas stream is passed via the gap 12, the gap 13 and the inner bore and the opening 7, which prevents the ingress of contaminants.
  • both the core rod sections 2 and the inner jacket tube 3 and the outer jacket tube 4 can be moved independently of one another transversely to the drawing direction 5, which contributes to self-centering of the arrangement during the elongation process.
  • An optical fiber with an outside diameter of 125 ⁇ m is drawn off from the softened and collapsed area of the arrangement.
  • a preform for an optical fiber is similarly produced.

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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus synthetischem Quarzglas wird eine koaxiale Anordnung - umfassend ein äußeres Mantelrohr (4), ein eine Innenbohrung aufweisendes inneres Mantelrohr (3) und einen in der Innenbohrung mit seinem unteren stirnseitigen Ende an einem Widerlager aufliegenden Kernstab (1) - in vertikaler Ausrichtung einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise erweicht und zu dem Quarzglas-Bauteil elongiert. Um hiervon ausgehend ein einfaches und kostengünstiges Verfahren anzugeben, das eine reproduzierbare Herstellung eines optischen Bauteils hoher Qualität ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Widerlager als Verengung (6) der Innenbohrung des inneren Mantelrohres ausgebildet ist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus synthetischem Quarzglas, indem eine koaxiale Anordnung - umfassend ein äußeres Mantelrohr, ein eine Innenbohrung aufweisendes inneres Mantelrohr und einen in der Innenbohrung mit seinem unteren stirnseitigen Ende an einem Widerlager aufliegenden Kernstab - in vertikaler Ausrichtung einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise erweicht und zu dem Quarzglas-Bauteil elongiert wird.
Durch Kollabieren und Elongieren einer koaxialen Anordnung von Kernstab und mehreren den Kernstab umhüllenden Mantelrohren werden optische Bauteile in Form von Zwischenprodukten (Vorformen oder einfache Vollzylinder) für eine optische Faser, oder auch unmittelbar die optische Faser hergestellt. Bei allen Verfahrensvarianten liegt ein besonderes Augenmerk auf einer möglichst exakt koaxialen Führung und Fixierung von Kernstab und Mantelrohren zueinander.
Aus der US 6,460,378 B1 ist ein Verfahren gemäß der eingangs genannten Gattung bekannt, bei dem ein Kernstab gleichzeitig mit einem inneren Mantelrohr und mit einem äußeren Mantelrohr in einer vertikalen Anordnung im Rahmen eines Elongierprozesses überfangen wird. Zur Fixierung des Kernstabes wird das äußere Mantelrohr im Bereich seines unteren Endes mit einer Einschnürung versehen. Die Einschnürung dient als Widerlager für einen Haltering, der bei vertikal orientiertem äußerem Mantelrohr von oben in die Innenbohrung des Mantelrohres eingeführt wird. Der Haltering hat einen Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Mantelrohres, jedoch geringfügig größer als der Innendurchmesser der Einschnürung ist, so dass sich der Haltering von oben auf den Bereich der Einschnürung auflegt. Durch die Mittelbohrung des Halterings erstreckt sich das konisch ausgebildete untere Ende des Kernstabs und bildet insoweit einen Anschlag für den Kernstab. Außerdem liegt das erste innere Mantelrohr stirnseitig auf dem Haltering auf.
Bei diesem Verfahren ist zur Fixierung der Bauteile (Kernstab und zwei
Mantelrohre) zueinander die Herstellung einer Einschnürung erforderlich. Die Herstellung der Einschnürung erfordert gerade bei dem äußeren Mantelrohr, das in der Regel eine besonders großen Querschnitt und damit eine große zu erhitzende Masse aufweist, einen besonders aufwändigen Heissverformungsschritt. Darüber hinaus ist ein auf diese Einschnürung angepasstes, verlorenes Quarzglaselement in Form des Halterings erforderlich. Die vorgeschlagene Art der Halterung der einzelnen Bauteile zueinander erfordert eine möglichst exakt waagrechte Orientierung dieses Halterings, was jedoch dadurch erschwert wird, dass die Einschnürung durch glasbläserische Techniken mit den bekannten Einschränkungen hinsichtlich der Maßhaltigkeit erzeugt wird.
Die mittels des Halterings zueinander fixierten Bauteile werden anschließend an ihren oberen Enden miteinander verschmolzen, wobei in der Innenbohrung des äußeren Mantelrohres ein Vakuum erzeugt und aufrechterhalten wird. Hierzu ist zur Abdichtung des Spaltes zwischen innerem und äußerem Mantelrohr ein Dichtungsring erforderlich, der auch zur Fixierung der Bauteile zueinander im oberen Bereich der Anordnung beiträgt. Zum Verschmelzen der oberen Enden ist ein zusätzlicher Heizprozessschritt erforderlich; hierbei auftretende Abweichungen von der Sollgeometrie sind später kaum noch zu korrigieren.
Die reproduzierbare Herstellung eines optischen Bauteils hoher Qualität erfordert bei dieser Verfahrensweise einen großen Fertigungs- und Zeitaufwand, um eine exakte koaxiale Anordnung und Fixierung von Kernstab und Mantelrohren zueinander vor dem Elongierprozess zu gewährleisten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung hochwertiger optischer Bauteile durch Elongieren einer koaxialen Anordnung von Kernstab und mehreren Mantelrohren anzugeben.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Widerlager als Verengung der Innenbohrung des inneren Mantelrohres ausgebildet ist.
Im Gegensatz zum bekannten Verfahren ist für die Fixierung des Kernstabs weder ein Haltering, noch eine Einschnürung des Innendurchmesser beim äußeren Mantelrohr erforderlich.
Auf einen Haltering kann verzichtet werden, wodurch der Fertigungsaufwand für die Herstellung des Halterings ebenso entfällt wie die oben erläuterte Problematik, die mit einer waagerechten Orientierung des Halterings und der Fixierung von Kernstab und innerem Mantelrohr einhergehen.
Das innere Mantelrohr hat in der Regel eine geringere Masse als das äußere Mantelrohr. Die Ausbildung einer Einschnürung des Innendurchmesser beim inneren Mantelrohr ist daher weniger aufwändig und die Erzeugung einer vorgegebenen Geometrie ist technisch einfacher.
Für eine reproduzierbare Herstellung maßhaltiger optischer Bauteile (Stab, Vorform, Faser) erfordert das erfindungsgemäße Verfahren somit einen vergleichsweise geringeren Aufwand.
Das äußere Mantelrohr kann aus einem oder aus mehreren Rohren bestehen. Es hat auf die Lichtführung des optischen Bauteils keine wesentlichen Auswirkungen. Daher sind die Anforderungen an die optischen Eigenschaften des Quarzglases für das äußere Mantelrohr vergleichsweise gering. Das dafür benötigte Quarzglas ist daher im Vergleich zum Quarzglas für das innere Mantelrohr besonders kostengünstig herstellbar. Aus diesem Grunde wird das t-a- ιπarp> inn^rp Mantelrohr so dünn wie möαlich. jedoch so dick wie nötig ausgeführt. Typischerweise hat das innere Mantelrohr eine Wandstärke im Bereich von 5 bis 20 mm. Im optischen Bauteil liegt der Volumenanteil des Quarzglases, das von dem äußeren Mantelrohr stammt bei 80 % oder mehr.
Infolge der Verengung ist die Innenbohrung des inneren Mantelrohres ganz oder teilweise verschlossen. Bei der letztgenannten Alternative ist die Verengung mit einer axial durchgängigen Öffnung versehen, die bis zum vollständigen Kollabieren der Innenbohrung während des Elongierens eine Gasspülung der Innenbohrung erlaubt. Diese Verfahrensvariante ist daher bevorzugt.
Es hat sich bewährt, wenn der Kernstab einen Kernbereich mit einem
Außendurchmesser ,,d«" aufweist, der von einer Mantelglasschicht mit einem Außendurchmesser „C\M" umgeben ist, wobei das Verhältnis von „dwi" zu „d«" zwischen 2 und 4, vorzugsweise zwischen 2,5 und 3,5, liegt.
Der Volumenanteil der kernnahen und daher besonders aufwändig herzustellenden innersten Mantelglasschicht wird aus Kostengründen zu
Gunsten des übrigen, weitaus kostengünstiger herstellbaren Mantelmaterials, das beispielsweise von dem inneren Mantelrohr stammt, so gering wie möglich gehalten.
Vorteilhafterweise wird der Kernstab aus stoßweise aneinandergereihten Kernstabstücken gebildet.
Hierfür können für die Herstellung des Kernstabs kleinere Kernstäbe, deren Herstellung einfacher oder kostengünstiger sein kann, oder auch ausgewählte Reststücke verwendet werden.
Die Kemstabstücke können miteinander verschmolzen oder lose übereinander gestapelt sein. Letztere Verfahrensweise ist bevorzugt, da die Kernstabstücke einerseits einen schmaleren Sicherheitsspalt zwischen Mantelrohr und Kernstab erlauben, und sich darüber hinaus infolge einer radialen Beweglichkeit innerhalb dar inn^nhnhmnπ r s innpran Mantelrohr beim Elonαierorozess automatisch zentrieren, sofern die Stirnflächen gegeneinander verschiebbar sind, also beispielsweise eben ausgebildet sind.
In dem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn ein mechanischer Anschlag vorgesehen, der eine Aufwärtsbewegung des Kernstabes entgegen der Ziehrichtung beim Elongierprozess verhindert.
Der Anschlag verhindert ein „Aufschwimmen" des Kernstabs beim Elongierprozess. Dies wirkt sich besonders bei Einsatz einer Reihe von Kernstabstücken vorteilhaft aus. Der Anschlag wird beispielsweise mittels eines durch die Wandung des inneren Mantelrohres in dessen Innenbohrung hineinragenden und abziehbaren Haltestift gebildet.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn zwischen dem Kernstab und dem inneren Mantelrohr ein innerer Ringspalt mit einer mittleren Spaltweite im Bereich zwischen 0,5 mm und 1 ,5 mm vorgesehen ist.
Eine kleine Spaltweite erleichtert den Elongierprozess und gewährleistet eine hohe Maßhaltigkeit (insbesondere eine geringe Ovalität) und eine geringe Exzentrizität des Kerns im optischen Bauteil.
Im Hinblick hierauf hat es sich auch bewährt, wenn zwischen dem inneren Mantelrohr und dem äußeren Mantelrohr ein äußerer Ringspalt mit einer mittleren Spaltweite von maximal 2 mm, vorzugsweise von maximal 1 mm, vorgesehen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das innere Mantelrohr in lateraler Richtung bewegbar gehalten.
Indem sich das innere Mantelrohr in Querrichtung zur Ziehrichtung frei bewegen kann, wird eine Selbstzentrierung beim Elongierprozess erreicht. Die laterale Beweglichkeit ergibt sich durch die Art der Halterung des oberen Endes des
Mantelrohres, die beispielsweise eine Verschiebung quer zur Ziehrichtung oder ein Pendeln im Sinne einer karadanischen Aufhängung ermöglicht. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, am oberen Ende des äußeren Mantelrohres einen Haltezylinder aus Quarzglas anzuschmelzen.
Der Haltezylinder besteht aus Quarzglas minderer Qualität und bildet einen Teil der Halteeinrichtung für das äußere Mantelrohr. Er ersetzt teureres Quarzglas und vermindert insoweit Materialverluste. Im einfachsten Fall handelt es um einen Hohlzylinder mit den gleichen oder ähnlichen lateralen Abmessungen wie das äußere Mantelrohr.
Für die Zwecke der Halterung des äußeren Mantelrohres gestaltet sich eine Ausbildung des Haltezylinders als besonders geeignet, bei der eine Umfangsnut für den Eingriff eines Greifers vorgesehen ist.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens greift am oberen Ende des äußeren Mantelrohres eine erste Halteeinrichtung, und am oberen Ende des inneren Mantelrohres eine zweite Halteeinrichtung an, wobei die erste Halteeinrichtung und die zweite Halteeinrichtung mechanisch unabhängig voneinander sind.
Bei dieser Ausführungsform können das innere Mantelrohr mitsamt dem darin angeordneten Kernstab und das äußere Mantelrohr in Ziehrichtung und quer dazu getrennt voneinander bewegt werden. Diese zusätzlichen Parametereinstellungen beim Elongierprozess erleichtern die Einhaltung der vorgegeben Geometrie des optischen Bauteils.
Bei einer weiteren und gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens greift am oberen Ende des äußeren Mantelrohres eine erste Halteeinrichtung an, wobei das obere Ende des inneren Mantelrohres an dem äußeren Mantelrohr oder an der ersten Halteeinrichtung gehalten wird.
Bei dieser Ausführungsform dient das äußere Mantelrohr gleichzeitig zur Führung und Fixierung des inneren Mantelrohres mitsamt dem darin
Figure imgf000007_0001
Fine> seoarate Halteeinrichtunα für die Führunα und Fixierung des inneren Mantelrohres und des Kernstabs wird dadurch vermieden.
Besonders einfach gestaltet sich in dem Zusammenhang eine Verfahrensvariante, bei der das obere Ende des inneren Mantelrohres oder eine mechanische Verlängerung des inneren Mantelrohres mit einem Außenkragen versehen sind, der auf dem äußeren Mantelrohr oder auf einer mechanischen Verlängerung desselben aufliegt.
Der Außenkragen ist beispielsweise als nach außen kragender Wulst oder als nach außen ragende Aufweitung des oberen Endes des inneren Mantelrohres ausgebildet, wobei zu gewährleisten ist, dass der Außenkragen so weit reicht, dass er auf der Oberseite des äußeren Mantelrohres oder auf einer Verlängerung desselben (beispielsweise mittels dem oben beschriebenen Haltezylinder) aufliegt.
Vorteilhafterweise weist das innere Mantelrohr einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von weniger als 1 Gew.-ppm auf.
Je niedriger der mittlere OH-Gehalt des inneren Mantelrohres - insbesondere im Bereich von dessen Innenbohrung - ist, um so geringer ist der durch Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) verursachte Dämpfungsanteil in dem optischen Bauteil.
Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn das innere Mantelrohr durch Elongieren eines mechanisch auf Endmaß bearbeiteten Hohlzylinders erzeugt wird.
Durch die mechanische Bearbeitung, die insbesondere Bohren, Schleifen und Honen umfasst, kann unter Einsatz bekannter Schleif- und Honverfahren und dafür geeigneter handelsüblicher Vorrichtungen zunächst ein dickwandiger Quarzglas-Zylinder mit exakt definierten Abmessungen erzeugt werden. Aufgrund des sich daran anschließenden Elongierprozesses wird aus dem riirku/αnrtiπpn
Figure imgf000008_0001
fiin Ouarzαlas-Mantelrohr erzeuαt. das ein mehrfaches der Länge des Zylinders und insbesondere eine im Schmelzfluss erzeugte, besonders glatte Innenbohrung aufweist. Diese glatte Innenoberfläche führt beim Verschmelzen mit dem Kernstab zu einer besonders defektarmen Kontaktfläche, was sich auf die Qualität des optischen Bauteils vorteilhaft auswirkt.
Im Hinblick auf die Gewährleistung exakter Abmessungen wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der das äußere Mantelrohr als mechanisch auf Endmaß bearbeiteter Hohlzylinder vorliegt.
Unter einem mechanisch auf Endmaß gearbeiteten Mantelrohr im Sinne dieser Erfindung ist auch ein Mantelrohr zu verstehen, dessen Innenoberfläche mechanisch auf Endmaß bearbeitet wurde und das anschließend durch Ätzen gereinigt wird. Gleichmäßige Ätzprozesse bewirken keine wesentliche Änderung der geometrischen Endform des Hohizylinders (wie beispielsweise eine Biegung oder eine Ovalität im Querschnitt).
Vorteilhafterweise ist äußere Mantelrohr mit einem sich nach unten verjüngenden unteren Ende ausgebildet.
Durch die einer Ziehzwiebel angenäherten Form des unteren Endes des äußeren Mantelrohres wird der Start des Elongierprozesses (das Anziehen) erleichtert.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von
Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung im einzelnen
Figur 1 : eine erste Ausführungsform einer Anordnung von Kernstab, innerem Mantelrohr und äußerem Mantelrohr vor dem Elongierprozess,
Figur 2: eine zweite Ausführungsform dieser Anordnung.
Die Anordnung gemäß Figur 1 zeigt einen Kernstab 1 , der aus mehreren Hydroxylgruppengehalt von weniger als 1 Gew.-ppm besteht, und die in der Innenbohrung eines inneren Mantelrohres 3 lose aufeinander gestapelt sind.
Die Stirnseiten der Kernstab-Teilstücke 2 sind eben ausgebildet, so dass sie in lateraler Richtung innerhalb der Innenbohrung des inneren Mantelrohres 3 in gewissem Rahmen gleiten können und so zu einer Selbstzentrierung beim Elongierprozess beitragen. Die Kernstab-Teilstücke 2 bestehen jeweils aus einem Kernbereich aus germaniumdotiertem Quarzglas mit einem Außendurchmesser ,,dκ" von 11 mm, der von einem inneren Mantelbereich aus undotiertem Quarzglas umgeben ist, und der einen Außendurchmesser „dM" von 28 mm hat. Das Verhältnis von „d " zu „dκ" liegt somit bei 2,55.
Das innere Mantelrohr 3 mit einem Innendurchmesser von 30,0 mm und einem Außendurchmesser von 50 mm ist von einem äußeren Mantelrohr 4 umgeben, dessen Innendurchmesser und Außendurchmesser 52 bzw. 150 mm betragen.
Somit verbleibt zwischen dem inneren Mantelrohr 3 und dem Kernstab 1 ein Ringspalt 12 mit einer Spaltweite, die im Mittel bei 1 mm liegt, und zwischen dem äußeren Mantelrohr 4 und dem inneren Mantelrohr 3 ein Ringspalt 13 mit einer mittleren Spaltweite von 1 mm.
Das innere Mantelrohr 3 besteht aus hochreinem, synthetisch hergestelltem Quarzglas mit einem mittleren Hydroxylgruppengehalt von 0,3 Gew.-ppm. Das Mantelrohr 3 wird durch Strecken eines mechanisch auf Endmaß bearbeiteten Hohizylinders erzeugt, und weist daher eine im Schmelzfluss erzeugte, besonders glatte Innenbohrung mit einer mittleren Rauhtiefe (Ra-Wert) von ca. 0,2 μm auf.
Das untere Ende des inneren Mantelrohres 3 weist einen nach unten konisch zulaufenden Bereich auf, der eine Verengung 6 der Innenbohrung des inneren Mantelrohres 3 bildet. Die Verengung 6 der Innenbohrung ist derart, dass eine durchgehende Öffnung 7 mit einer Öffnungsweite von 10 mm zu der Innenbohrung verbleibt. Auf dieser Verengung 6 sitzt das untere Ende des Kernstabs 1 auf. Die Oberseite des Kernstabs 1 wird von einem Fixierungsstab 8 gebildet, der mittels eines Pins, der durch die Wandung des inneren Mantelrohres 3 gesteckt wird und der bis in die Innenbohrung reicht, an einem „Aufschwimmen" während des unten näher erläuterten Elongierprozesses gehindert wird.
Das äußere Mantelrohr 4 ist mechanisch auf Endmaß bearbeitet und es besteht ebenfalls aus synthetisch hergestelltem Quarzglas. Das untere Ende 9 des äußeren Mantelrohres 4 läuft nach unten konisch zu, was das Anziehen beim Elongierprozess erleichtert.
Das äußere Mantelrohr 4 ist mittels eines angeschmolzenen Haltezylinders 10, der aus einem geringwertigen Quarzglas besteht, nach oben verlängert. Der Haltezylinder 10 ist mit einer umlaufenden Rechtecknut 11 versehen, die als Aufnahme für einen (in der Figur nicht dargestellten) ersten Greifer dient, mittels das äußere Mantelrohr 4 gehalten und bewegt wird.
Die Verbindungsstelle 14 von Haltezylinder 10 und äußerem Mantelrohr 4 sowie die Kontaktstelle zwischen Fixierungsstab 8 und dem obersten Kernstab- Teilstück 2 liegen auf gleicher Höhe.
Das innere Mantelrohr 3 wird mitsamt dem darin fixierten Kernstab 1 mit einem (in der Figur nicht dargestellten) zweiten Greifer gefasst und geführt, und ist mittels diesem unabhängig vom äußeren Mantelrohr 4 bewegbar. Insbesondere ist der Greifer für die Halterung des inneren Mantelrohres 3 kardanisch gelagert, so dass sich eine Schwenkbarkeit des inneren Mantelrohres 3 um die kardanische Aufhängung in einer Richtung quer zur Ziehrichtung (Richtungspfeil 5) ergibt, welche zu einer Selbstzentrierung während des Elongierprozesses beiträgt.
Sofern in Figur 2 dieselben Bezugsziffern wie in Figur 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der ersten Ausführungsform der Anordnung näher erläutert sind.
Im Unterschied zu der Anordnung von Figur 1 wird das innere Mantelrohr 3 bei der Anordnung von Figur 2 nicht mittels eines separaten Greifers gehalten und geführt, sondern mittels des äußeren Mantelrohres 4. Hierzu ist das obere Ende des inneren Mantelrohres 3 mit einem nach außen weisenden Kragen 16 versehen, der auf der Oberseite des Haltezylinders 10 aufliegt.
Nachfolgend wird eine für das erfindungsgemäße Verfahren typische Verfahrensweise anhand Figur 1 näher erläutert.
Es werden zunächst die Kernstab-Teilstücke 2 nach dem VAD-Verfahren hergestellt. Hierzu wird durch axiale Abscheidung einer zentralen Ge02- dotierten Kernschicht und einer sie umgebenden undotierten Si02-Schicht auf einem rotierenden Träger ein Sootkörper erzeugt, der anschließend einer Dehydratationsbehandlung in einer chlorhaltigen Atmosphäre unterzogen und in einem Verglasungsofen bei einer Temperatur im Bereich um 1350 °C verglast wird, so dass ein Kernstab mit einem Außendurchmesser von 28 mm und dem gewünschten Brechzahlprofil erhalten wird.
Das Gewicht eines einzelnen Kernstab-Teilstücke hängt von deren Länge ab, die sehr unterschiedlich sein kann. In der herzustellenden optischen Faser mit einem Außendurchmesser von 125 μm bilden die Kernstab-Teilstücke 2 einen Kernbereich mit einem Durchmesser von ca. 8,5 μm.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren der Kernstäbe nach dem VAD-Verfahren können dieselben auch nach dem bekannten MCVD-, OVD-, PCVD- oder FCVD- (Furnace Chemical Vapor Deposition) Verfahren hergestellt werden.
In jedem Fall wird weiteres Mantelmaterial für die Ausbildung der äußeren Mantelglasschicht in Form der Mantelrohre 3 und 4 bereitgestellt, welche beim au Hon K nstah 1 anfkollabiert werden. Die Herstellung der Mantelrohr 3, 4 erfolgt anhand eines üblichen OVD-Verfahrens ohne Zusatz eines Dotierstoffs.
Die Außenwandung der erhaltenen Quarzglasrohre wird mittels Umfangseinstech- bzw. -längssschleifen in mehreren Arbeitsgängen unter Verwendung sukzessiv feinerer Korngrößen auf die gewünschte
Außenabmessung abgeschliffen. Ebenso wird die Innenbohrung mittels eines Bohrers aufgebohrt und zum Zwecke einer hochpräzisen Endbearbeitung hinsichtlich Form und Oberflächenbeschaffenheit durch Honen nachbearbeitet. Es wird so eine in Längsachsenrichtung verlaufende, gerade Bohrung mit einem genau kreisförmigen Querschnitt erhalten. Um Oberflächenspannungen abzubauen und um Beschädigungen durch die Oberflächenbearbeitung zu entfernen, wird das jeweilige Quarzglasrohr in einem Flusssäurebad, dessen HF-Konzentration zwischen 5 % und 30 % liegt, kurz geätzt.
Das so erhaltene Quarzglasrohr wird auf das zwölffache seiner Ausgangslänge elongiert, so dass ein inneres Mantelrohr 3 mit den oben genannten
Abmessungen erhalten wird. Das untere Ende des inneren Mantelrohres 3 wird anschließend unter Ausbildung der Verjüngung 6 erweicht.
Auf ähnliche Weise wird das äußere Mantelrohr 4 hergestellt, wobei auf den Elongierschritt und auf die Ausbildung einer Verjüngung verzichtet wird. Der konische Bereich 9 des äußeren Mantelrohres 4 wird durch mechanische
Bearbeitung erzeugt. Der mit der Umfangsnut 11 versehene Haltezylinder 10 wird an das obere Ende des äußeren Mantelrohres 4 angeschmolzen.
Die Innenbohrung des inneren Mantelrohres 3 wird mit Kernstab-Teilstücken 2 und dem Fixierungsstab 8 aufgefüllt, wobei die Einführung der Kernstab- Teilstücke 2 wegen deren kurzen Längen erleichtert wird. Das innere Mantelrohr 3 wird anschließend mit einem Greifer verbunden, der am oberen Ende des Mantelrohres 3 angreift und in das äußere Mantelrohr 4 eingesetzt. Auch das äußere Mantelrohr 4 wird mittels eines weiteren Greifers erfasst, der in die Umfanαsnut 11 einαreift. Diese koaxiale Anordnung von Kernstab 1 , innerem Mantelrohr 3 und äußerem Mantelrohr 4 wird anschließend in vertikaler Ausrichtung mit dem unteren Ende beginnend in einem ringförmigen Ofen zonenweise auf eine Temperatur um 2050 °C erweicht und dabei eine optische Faser aus dem erweichten Bereich abgezogen. Solange das untere Ende der Anordnung noch nicht erweicht und kollabiert ist, wird über den Spalt 12, den Spalt 13 sowie über die Innenbohrung und die Öffnung 7 ein Stickstoff-Spülgasstrom geleitet, der das Eindringen von Verunreinigungen vermeidet.
Zu Beginn dieses Ziehverfahrens liegen die Kernstab-Teilstücke 2 auf der Verengung 6 des inneren Mantelrohres 3 auf. Sowohl die Kernstab-Teilstücke 2, als auch das innere Mantelrohr 3, als auch das äußere Mantelrohr 4 sind unabhängig voneinander quer zur Ziehrichtung 5 bewegbar, was zu einer Selbstzentrierung der Anordnung während des Elongierprozesses beiträgt.
Aus dem erweichten und kollabierten Bereich der Anordnung wird eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 125 μm abgezogen. Auf ähnliche Weise wird eine Vorform für eine optische Faser erzeugt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils aus synthetischem Quarzglas, indem eine koaxiale Anordnung - umfassend ein äußeres Mantelrohr, ein eine Innenbohrung aufweisendes inneres Mantelrohr und einen in der Innenbohrung mit seinem unteren stirnseitigen Ende an einem Widerlager aufliegenden Kernstab - in vertikaler Ausrichtung einer Heizzone zugeführt, darin zonenweise erweicht und zu dem Quarzglas-Bauteil elongiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager als Verengung der Innenbohrung des inneren Mantelrohres ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung mit einer axial durchgängigen Öffnung versehen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstab einen Kernbereich mit einem Außendurchmesser „d«" aufweist, der von einer Mantelglasschicht mit einem Außendurchmesser „du" umgeben ist, wobei das Verhältnis von „dM" zu ,,dκ" zwischen 2 und 4, vorzugsweise zwischen 2,5 und 3,5, liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstab aus stoßweise aneinandergereihten Kernstabstücken gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstabstücke lose übereinander gestapelt sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Anschlag vorgesehen ist, der eine Aufwärtsbewegung des Kernstabs entgegen der Ziehrichtung verhindert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kernstab und dem inneren Mantelrohr ein innerer Ringspalt mit einer mittleren Spaltweite im Bereich zwischen 0,5 mm und 1,5 mm vorgesehen ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Mantelrohr und dem äußeren Mantelrohr ein äußerer Ringspalt mit einer mittleren Spaltweite von maximal 2 mm, vorzugsweise von maximal 1 mm, vorgesehen ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Mantelrohr in lateraler Richtung bewegbar gehalten ist.
10.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des äußeren Mantelrohres ein Haltezylinder aus Quarzglas angeschmolzen ist.
11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltezylinder eine Umfangsnut für den Eingriff eines Greifers aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des äußeren Mantelrohres eine erste Halteeinrichtung angreift, und dass am oberen Ende des inneren Mantelrohres eine zweite Halteeinrichtung angreift, wobei die erste Halteeinrichtung und die zweite Halteeinrichtung mechanisch unabhängig voneinander sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des äußeren Mantelrohres eine erste Halteeinrichtung angreift, und dass das obere Ende des inneren Mantelrohres an dem äußeren Mantelrohr oder an der ersten Halteeinrichtung gehalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des inneren Mantelrohr oder eine mechanische Verlängerung des inneren Mantelrohres mit einem Außenkragen versehen sind, der auf dem äußeren Mantelrohr oder auf einer mechanischen Verlängerung desselben aufliegt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Mantelrohr einen mittleren Hydroxylgruppengehalt von weniger als 1 Gew.-ppm aufweist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Mantelrohr durch Elongieren eines mechanisch auf Endmaß bearbeiteten Hohizylinders erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Mantelrohr als mechanisch auf Endmaß bearbeiteter Hohlzylinder vorliegt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Mantelrohr mit einem sich nach unten verjüngenden unteren Ende ausgebildet ist.
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