DE102009004757B4

DE102009004757B4 - Substratrohr für sowie Verfahren zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung optischer Fasern und Verwendung.

Info

Publication number: DE102009004757B4
Application number: DE102009004757A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kötzing; Dr. Hämmerle Wolfgang; Hans Engler; Lothar Brehm
Original assignee: J Fiber GmbH
Current assignee: Weinert Industries Ag De
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: DE102009004757A1

Abstract

Substratrohr zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern, bestehend aus einem temperaturstabilen keramischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratrohr über die Rohrlänge einen konischen Verlauf und eine Grafitaußenbeschichtung aufweist, wobei die Grafitaußenbeschichtung eine oder mehrere dünne, bei niedriger Temperatur aufgebrachte, eine Sauerstoffbarriere bildende undotierte oder dotierte Soot-Glasschichten umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substratrohr zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern, bestehend aus einem temperaturstabilen keramischen Werkstoff, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 6 und eine Verwendung gemäß Patentanspruch 9.
Aus der US 6,253,580 A sowie der DE 298 23 926 U1 ist ein Lichtwellenleiterglashalbzeug sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines rohrförmigen Teiles als Vorform für die Lichtwellenleiter-Produktion vorbekannt.
Bei dem dortigen Verfahren wird eine Plasmaquelle in der Nähe eines Targets angeordnet, an welchem Siliziumdioxidmaterial anzulagern ist. Verwendung findet ein trockenes Plasmagas mit einer niedrigen Hydroxylkonzentration. Ein trockenes Quarzquellgas, welches mindestens SiCl₄ oder ähnliche Quellgase umfasst und ebenfalls eine niedrige Hydroxylkonzentration aufweist, wird in Plasmanähe eingeleitet. Dies bewirkt, dass das Material in Siliziumdioxid umgewandelt und auf dem Ziel abgelagert werden kann und im Ergebnis zu einem durchsichtigen Quarz verschmilzt. Ebenfalls ist es gemäß der vorbekannten Lehre möglich, das Quellgas mit Fluor zu dotieren, um ein Rohr mit einem niedrigen Brechungsindex zu erzeugen, das als Vorform zur Herstellung von Lichtwellenleitern einsetzbar ist.
Das Target, auf dem die transparenten SiO₂-Schichten erzeugt werden, besitzt die Form eines Quarzglasrohrs oder eines Grafitstabs.
Das üblicherweise undotierte Ausgangsrohr wird nach der Abscheidung der fluordotierten Schichten mechanisch oder chemisch entfernt, was einen großen Aufwand darstellt.
Die Abscheidung von fluordotierten Silziumdioxidschichten in transparenter Form auf einem Grafittarget ist nicht realisierbar. Durch die notwendigen hohen Abscheide- und Sintertemperaturen von 1600°C bis 2000°C verbrennen die oberen Grafitschichten des Targets in der umgebenden Luftatmosphäre mit der Folge der Veränderung des Grafitstabdurchmessers und der Grafitstaboberfläche. Konkret wird die Oberfläche des Grafitstabs durch die Verbrennung porös und rau. Hierdurch lässt sich nach Abschluss der Beschichtung das rohrförmige Gebilde nur sehr schwer vom Grafittarget trennen. Die sich ergebende raue innere Oberfläche des rohrförmigen Gebildes kann außerdem mit Verunreinigungen aus dem Grafitmaterial kontaminiert sein. Daher muss die innere Oberfläche des entstandenen Rohres aufwendig geglättet und gereinigt werden.
Aus der DE 103 16 487 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von fluordotierten Rohren unter Verwendung eines Plasmabrenners vorbekannt. Es wird dem Plasmabrenner eine siliziumhaltige Ausgangssubstanz zugeführt. Diese Ausgangssubstanz wird in einer dem Plasmabrenner zugeordneten Plasmaflamme zu Siliziumdioxid-Partikeln oxidiert. Die Siliziumdioxid-Partikel werden unter Gegenwart von Fluor auf der Zylindermantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Substratrohrs aus Quarzglas schichtweise abgeschieden und gesintert. Das Substratrohr wird dann vor der Weiterverarbeitung mechanisch oder chemisch entfernt. Auch diese Entfernung ist sehr kostenaufwendig. Um eine hohe Qualität des Mantelrohrs zu erhalten, muss die geometrische Qualität des Substratrohrs und die Materialhomogenität hoch sein. Weiterhin muss das Substratrohr, um Kontaminationen der inneren Oberfläche der abgeschiedenen fluordotieren Glasschichten zu vermeiden, eine ausreichend hohe Reinheit bezüglich OH-Gehalt und anderer Verunreinigungen aufweisen.
Die Entfernung des Substratrohrs auf chemischem Wege erfordert einen Einsatz von teuren fluorhaltigen Ätzgasen. Während der Abscheidung und Sinterung der fluorhaltigen Schichten auf dem Substratrohr wird das Substratrohr einer sehr starken Erwärmung bis zu 2000°C ausgesetzt und hierbei niedrigviskos, so dass das Rohr durch Wirkung der Oberflächenspannung zumindest teilweise kollabiert. Dieses Kollabieren muss durch einen positiven Differenzdruck verhindert werden. Schon kleine Differenz-Druckstörungen führen zu Veränderungen des Rohrdurchmessers und können nur durch eine aufwendige Druckregelung vermieden werden.
Aus der DE 42 36 578 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorformherstellung für Quarzglas-Lichtwellenleiter vorbekannt. Aufgabe der dortigen Lehre ist es, ein Outside Vapor Deposition-Verfahren zu modifizieren, so dass Trocknungszeiten und der Verbrauch an aggressiven Trocknungsgasen vermindert ist. Hierbei wird der bei konventionellen OVD-Verfahren übliche Substratstab durch ein Substratrohr aus feinporiger, gasdurchlässiger Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, ersetzt.
Über eine gasdichte Drehdurchführung wird in den Innenraum des Substratrohrs unter Überdruck ein Gasgemisch aus einem chemisch aktiven Gas und weiteren Gasen geleitet. Der Innendruck im Substratrohr, die Wandstärke und die Gasdurchlässigkeit des Rohrmaterials werden so gewählt, dass bei der hydrolytischen Abscheidung des porösen Quarzglases der Wasserdampf aus den Brennergasen nicht in das Innere des Glaskörpers eindringen kann.
Während eines mehrstündigen Abscheideprozesses strömt kontinuierlich frisches Trocknungsgasgemisch von innen nach außen und entzieht dabei dem Quarzglas die bei der Kondensation eingebauten OH-Ionen. Nach Abschluss der Quarzabscheidung und Abschaltung des Brenners wird der Trocknungsgasstrom während der Abkühlung des Glaskörpers so lange aufrechterhalten, bis die Temperatur auf ca. 50°C abgesunken ist. Dadurch wird die äußere Randzone, die noch eine gewisse OH-Konzentration enthalten kann, weiter getrocknet und das Eindringen von Wasserdampf aus der Umgebungsluft in das poröse Material verhindert. Anschließend wird der Glaskörper vom Keramikrohr abgenommen und unter Einwirkung des üblichen Trocknungsgasgemisches zu einem massiven Stab zusammengeschmolzen. Erst nach dem Sinterschritt steht ein transparentes Rohr zur Verfügung. Die innere Oberfläche des derartig erhaltenen Rohres weist, verursacht durch den Sinterprozess, im Allgemeinen Glasstrukturdefekte auf. Diese müssen in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt einer Beseitigung unterzogen werden.
Weitere Verfahren und Vorrichtungen zur Vorformherstellung sind aus US 4204850 A und WO 02/08133 A2 bekannt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Substratrohr zur Herstellung von dotierten und undotierten Rohren als Halbzeug zur Fertigung optischer Fasern sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Vorformen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Substratrohrs anzugeben, wobei das Ziel besteht, das verwendete Substratrohr bzw. Target wiederholt einzusetzen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein Substratrohr gemäß Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern gemäß der Lehre nach Patentanspruch 8, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach von einem Substratrohr als Target zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern, bestehend aus einem temperaturstabilen keramischen Werkstoff, ausgegangen.
Erfindungsgemäß weist das Substratrohr über seine Rohrlänge einen konischen Verlauf auf.
Die Änderung des Außendurchmessers des Substratrohrs ist bevorzugt stetig.
Die Außendurchmesser-Änderung als Maß der Konizität liegt über die Keramikrohrlänge im Bereich zwischen 1 bis 5·10^–1 mm.
Das Substratrohr weist weiterhin erfindungsgemäß eine Grafitaußenbeschichtung auf,
wobei kann die Grafitaußenbeschichtung eine oder mehrere dünne, bei niedriger Temperatur aufgebrachte, eine Sauerstoffbarriere bildende Schicht oder Schichten, insbesondere Soot-Glasschichten, umfasst.
Ausgestaltend verfügt das Substratrohr über Mittel zum Leiten eines Gasstroms, insbesondere zur Kühlung, die im Rohrinneren befindlich sind. Im einfachsten Fall dient hier das Rohrinnere als Mittel zum Führen einer kühlenden Gasströmung.
Die Gesamtdicke der Soot-Glasschichten, die sich auf der Grafitbeschichtung befinden, liegt im Bereich zwischen 0,1 mm bis 1,0 mm unter Beachtung fachüblicher Abwandlungen.
Bei dem Verfahren zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern, wobei auf einem Substratträger SiO₂-Schichten abgeschieden und gesintert werden und wobei weiterhin am Prozessende das Trägerrohr entfernt wird, erfolgt erfindungsgemäß das Einsetzen eines Trägerrohrs in Form eines konisch ausgebildeten, wieder verwendbaren Keramikrohrs, wobei das Keramikrohr eine Grafitaußenbeschichtung aufweist oder eine derartige Beschichtung prozessintegriert aufgebracht wird.
Auf die Grafitaußenbeschichtung erfolgt dann ein Abscheiden weiterer Schichten als Sauerstoffbarriere, insbesondere das Abscheiden von mindestens einer Soot-Glasschicht.
Nachdem die Soot-Glasschicht oder die Soot-Glasschichten aufgebracht wurden, erfolgt ein Abscheiden undotierter oder dotierter Quarzglasschichten in an sich bekannter Weise, wobei im Ergebnis des Abkühlprozesses aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der erhaltenen Mantelglasschicht und dem Trägerrohr dieses zerstörungsfrei entfernbar ist.
Ausgestaltend wird nach dem Entfernen des Trägerrohrs eine Hochtemperaturbehandlung durchgeführt, um die Soot-Glasbeschichtung zu einer transparenten Glasschicht zu verschmelzen, wobei eventuell vorhandene Grafitreste verbrennen.
Wiederum ausgestaltend wird anschließend ein Ätzschritt zum Entfernen einer im erhaltenen Rohrinneren der Vorform vorhandenen Glasschicht vorgenommen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
So findet bei der Herstellung von undotierten oder fluordotieren Rohren auf der Basis einer an sich bekannten plasmagestützten Abscheidung eines Glasmantels ein Substratrohr aus Keramikmaterial Verwendung. Hier wird insbesondere eine temperaturstabile Keramik, d. h. eine Oxidkeramik mit hohem Al₂O₃-Anteil, Zirkonoxid oder Siliziumkarbid SiC verwendet. Das erfindungsgemäße Keramikrohr ist über eine beispielsweise Rohrlänge von etwa 100 cm konisch geformt. Die Außendurchmesser-Änderung über die Keramikrohrlänge beträgt ca. 1 bis 5·10^–1 mm bei einer Keramikrohrdimension im Außendurchmesser von 26 mm bis etwa 35 mm und einem Innendurchmesser von 18 mm bis etwa 25 mm.
Die Oberfläche des Keramikrohrs weist nur eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit auf, d. h. ist sehr glatt ausgebildet.
Bei einer Ausführungsvariante wird das Keramikrohr nach dem Einbau in eine an sich bekannte Plasma-Beschichtungsanlage mit einer oder mehreren dünnen Grafitschichten von beispielsweise 0,1 mm Gesamtschichtdicke versehen.
Diese Grafitschicht kann z. B. durch Abbrennen einer Azetylenflamme unter Sauerstoffmangel erzeugt werden, wobei ein oder mehrere dünne Schichten auf der Keramikoberfläche abgeschieden werden.
Im Anschluss an das Erzeugen der dünnen Grafitschicht werden wenige dünne Soot-Schichten mit einer Gesamtdicke von etwa 0,1 mm bis 1,0 mm abgeschieden. Dies erfolgt bei relativ niedriger Temperatur von typischerweise 1200°C. Bei dieser geringen Abscheidetemperatur der Soot-Schichten verbrennt die Grafitschicht auf dem Keramikrohr nicht. Die Soot-Schichten verhindern erfindungsgemäß, dass in der Folgezeit des weiteren Prozessfortschritts bei der Abscheidung von transparenten Glasschichten unter deutlich höheren Temperaturen von ca. 1600°C bis 2000°C die Grafitschicht nachträglich verbrennt und so eine Trennung von abgeschiedenem Rohr und Keramik-Trägerrohr erschwert ist.
Die Soot-Schichten zwischen der Grafitschicht und der folgenden dotierten oder undotierten Schichtenfolge wirken also als Barriere für den Sauerstoff aus der Plasmaflamme oder aus der umgebenden Atmosphäre bei der Abscheidung der folgenden SiO₂-Schichten und verhindern, dass die Grafitschicht einer Verbrennung unterliegt.
Die abgeschiedene Soot-Schicht leitet außerdem gegenüber massivem Quarzglas die Wärme deutlich schlechter an die Grafitschicht, d. h. an das innere Keramikrohr weiter. Ein Gasstrom im Inneren des Keramikrohrs aus beispielsweise Stickstoff kann bei Bedarf das Keramikrohr und die dort vorhandene Grafitschicht zusätzlich kühlen.
Nach der Abscheidung der Soot-Schichten werden die gewünschten undotierten oder dotierten Quarzglasschichten bei deutlich höheren Temperaturen abgeschieden. Dabei können die vorher abgeschiedenen Soot-Schichten allmählich zu einer nahezu transparenten Schicht sintern. Eine Beeinträchtigung der Funktionalität der auf dem Keramikrohr vorher aufgebrachten Grafitschicht tritt nicht ein. Die Abscheidung der transparenten Schichten mittels Plasmaprozess erfolgt so lange, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.
Während der Abkühlung des Keramikrohrs und des abgeschiedenen Mantelglases zieht sich das Keramikrohr wegen seines größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten stärker zusammen als das umgebende Mantelglas. Im Bereich der relativ weichen Grafitschicht kann dann das Keramikrohr aus dem umgebenden Mantelglas sauber herausgezogen und eine Trennung vollzogen werden.
Die während der Mantelglasabscheidung teilweise gesinterte Soot-Schicht wird in einem Heißtemperaturschritt zu einer transparenten, undotierten oder dotierten Glasschicht von weniger als 0,1 mm Schichtdicke verschmolzen. Grafitreste in der Soot-Schicht verbrennen in diesem Heißtemperaturschritt zu CO bzw. CO₂ und verlassen das Rohr. Bei Bedarf kann sich nun ein Ätzschritt anschließen, der die dünne innere verschmolzene Glasschicht definiert entfernt. Dieser Ätzschritt erfordert wesentlich weniger Zeit und Ätzgas, als es bei den diesbezüglichen Prozessschritten des Standes der Technik der Fall ist.

Claims

Substratrohr zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern, bestehend aus einem temperaturstabilen keramischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratrohr über die Rohrlänge einen konischen Verlauf und eine Grafitaußenbeschichtung aufweist, wobei die Grafitaußenbeschichtung eine oder mehrere dünne, bei niedriger Temperatur aufgebrachte, eine Sauerstoffbarriere bildende undotierte oder dotierte Soot-Glasschichten umfasst.
Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Außendurchmessers stetig ist.
Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außendurchmesser-Änderung als Maß der Konizität über die Keramikrohrlänge im Bereich zwischen 1 bis 5·10^–1 mm bezogen auf 1 m Rohrlänge liegt.
Rohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr Mittel zum Leiten eines Gasstroms im Rohrinneren umfasst.
Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Soot-Glasschichten im Bereich zwischen 0,1 mm bis 1,0 mm liegt.
Verfahren zur plasmagestützten Herstellung von dotierten oder undotierten Rohren als Vorformen für die Fertigung von optischen Fasern mit den Verfahrensschritten Anordnen einer Plasmaquelle in der Nähe eines Targets, Einleiten eines trockenen Plasmagases mit einer niedrigen Hydroxylkonzentration, Einleiten eines trockenen Quarzquellgases, enthaltend mindestens SiCl₄ oder ähnliche Quellgase mit einer ebenfalls niedrigen Hydroxylkonzentration in Plasmanähe, Umwandeln des Quarzquellgases in Siliziumdioxid und Ablagern auf dem Target mit einem Verschmelzen zu einem durchsichtigen Quarz, wobei auf einem Substratrohr SiO₂-Schichten abgeschieden und gesintert werden sowie am Prozessende das Trägerrohr entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägerrohr ein konisch geformtes, wieder verwendbares Keramikrohr eingesetzt wird, wobei das Keramikrohr eine Grafitaußenbeschichtung aufweist oder eine derartige Beschichtung prozessintegriert aufgebracht wird, auf die Grafitaußenbeschichtung ein Abscheiden mindestens einer Soot-Glasschicht als Sauerstoffbarriere bei niedriger Temperatur zum Verhindern einer nachträglichen Verbrennung der Grafitschicht erfolgt, anschließend ein Abscheiden undotierter oder dotierter Quarzglasschichten in bekannter Weise vorgenommen wird, wobei im Ergebnis des Abkühlprozesses aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der erhaltenen Mantelglasschicht und dem Trägerrohr dieses zerstörungsfrei entfernbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfernen des Trägerrohrs eine Hochtemperaturbehandlung durchgeführt wird, um die Soot-Glasschicht zu einer transparenten Glasschicht zu verschmelzen, wobei eventuell vorhandene Grafitreste, die sich im Endprodukt befinden, verbrennen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ätzschritt zum Entfernen einer im Rohrinneren der Vorform vorhandenen Glasschicht erfolgt.
Verwendung eines Substratrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei der plasmagestützten Herstellung von Vorformen für die Fertigung optischer Fasern.