DE3149166A1

DE3149166A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vorformling fuer eine optische faser

Info

Publication number: DE3149166A1
Application number: DE19813149166
Authority: DE
Inventors: Yokota Hiroshi; Edahiro Mito Ibakari Takao; Miyajiri Tetsuo; Kuwahara Yokohama Kanagawa Toru
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1980-12-12
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1982-07-29
Also published as: CA1188576A; DE3149166C2; GB2092125A; AU558613B2; AU8047582A; FR2496087B1; JPS57100933A; FR2496087A1; GB2092125B; US4414008A

Description

Beschreibung

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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Vorformlings für eine optische Faser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser, die nur eine geringe Änderung in der Verteilung des Brechungsindex in axialer Richtung und damit eine verbesserte Frequenz-Kennlinie hat.

Die Technologie auf dem Gebiet der Faseroptik ist soweit fortgeschritten, daß es nun möglich ist, ein Produkt mit Übertragungsverlusten herzustellen, die im wesentlichen auf den theoretischen Grenzwert verringert sind. Die meisten langen Fasern, die für Kommunikations-Zwecke ohne Verstärker bzw. Übertrager verwendet werden können, haben jedoch Übertragungsverluste, die größer als der theoretisch mögliche Wert sind; dies ist weitgehend auf die ungleichmäßige Verteilung des Brechnungsindex in axialer Richtung zurückzuführen. Optische Fasern werden üblicherweise mit dem folgenden Verfahren hergestellt: Ein gasförmiges, glasbildendes Material wird mit einer Flamme von einem Knallgasbrenner hydrolysiert (oxydiert); das sich ergebende Verbrennungsprodukt lageit sich in Form einer Stange ab, die dann in einem Elektroofen gesintert wird, wodurch transparentes Glas entsteht. Dieses Glas wird dann zu einer Faser gezogen. Das Verbrennungsprodukt enthält überlicherweise eine Dotierung, die den Brechungsindex des Glases modifiziert; wird nun der Gasstrom in dem Schutzbehälter (Muffelofen) in dem sich das stangenförmige Verbrennungsprodukt zur Bildung des porösen Vorformlings f:ür die optische Faser ablagert, Turbulenz, so kommt es zu einem Flackern der Flamme und damit zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Brechungsindex.

Die herkömmliche Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser ist so ausgelegt, daß dem Muffelofen kontinuierlich eine bestimmte Gasmenge, wie beispielswiese ein inertes Gas (ζ. Β. Helium) oder Luft zugeführt wird. Das Gas ist nicht bei der Flammenhydrolyse involviert, sondern entfernt nur so rasch wie möglich die Abgase von der Ablagerung, wie beispielsweise nichtreagiertes Siliziumtetrachlorid-Gas sowie Wasserstoffchlorid-Gas und Dampf, die als Nebenprodukte in dem Muffelofen gebildet werden, so daß sich nach der Ausbildung des stangenförmigen Vorformlings für die optischen Fasern keine Verunreinigungen auf dieser Stange ablagern.

Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß bei der Zuführung eines auf Raumtemperatur befindlichen Gases zu dem Muffelofen, der eine relativ hohe Temperatur hat, in dem Muffelofen starke Konvektions-Ströme entstehen, die zu starkem Flackern der Flamme führen. Die Oberflächentemperatur der porösen optischen Faser, die in dem Muffelofen hergestellt wird, insbesondere des Teils, der sich an der Spitze der der Flamme zugewandten Tragstange befindet, hat eine starke Wirkung auf die Geschwindigkeit, mit der das Verbrennungsprodukt gebildet und abgelagert wird. Die KrfInder haben weiterhin TostgoatalIt, daß Änderungen in der Temperatur-des dem Muffelofen zugeführten Gases gelegentlich zu einer Änderung der Oberflächentemperatur der Fläche des Verbrennungsproduktes führen.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für eine optische Faser mit minimalen Änderungen der Verteilung des Brechungsindex zu schaffen. Dies wird durch die Verringerung der Turbulenz der Gasströme in dem Muffelofen erreicht, wobei die Oberflächentemperatur des Vorformlings konstant ge-

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halten wird.

Weiterhin sollen durch Verwendung eines solchen Voriormlings lange optische Fasern mit verbesserter Frequenz-Kennlinie geschaffen werden.

Und schließlich soll eine Vorrichtung zur Herstellung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser vorgeschlagen werden.

Diese Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser durch Hydrolysieren eines gasförmigen, glasbildenden Materials mit einer Flamme von eine m Knallgas-Brenner und durch Ablagerung des sich ergebenden Verbrennungsproduktes in Stangenform in einem Muffelofen erreicht, wobei dem Muffelofen ein anderes Gas als das Gas von dem Knallgasbrenner zugeführt wird; dieses andere Gas wird auf einer konstanten Temperatur gehalten.

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 gefertigt.

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

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11 auf. Um einen Stau des Gases in dem Muffelofen zu vermeiden, sind nach einer bevorzugten Ausführungsform das Einiaßrohr und die Auslaßöffnung in dem Muffelofen an Stellen angebracht, die so weit wie möglich voneinander entfernt sind. Bei dem zylindrischen, vertikal angeordneten Muffelofen, wie er in der Figur dargestellt ist, befindet sich das Einlaßrohr z.weckmäßigerweise 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 Brenners ist, um eine turbulente Strömung der nach oben gerichteten, von dem Brenner abgegebenen Gase zu verhindern und den Austritt der effektiv nicht reagierten Gase und Nebenprodukt-Gase zu ermöglichen. Beispielsweise ist bei dem in der Figur dargestellten"Muffelofen, der bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, die Auslaßöffnung 11 in einem Abstand von ungefähr 150 mm von dem oberen Ende des Brenners 13 angeordnet. Dieser mit einer Knallgasflamme arbeitende Brenner 13 ist im Boden des Muffelofens angeordnet; von dem Brenner werden ein gasförmiges, glasbildendes Material und ein Dotierungsmittel sowie Sauerstoff und Wasserstoff abgegeben, wodurch sich eine vorgegebene Verteilung der Gase im Innern des Muffelofens einstellt, so daß das glasbildende Material durch Flamme hydrolysiert wird und sich ein glasartiges Verbrennungsprodukt ergibt. Der Muffelofen haltert eine Tragstange (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 0 in Form einer Stange 16 ab. Sobald sich das Verbrennungsprodukt (soot) aufbaut, wird die Stange 14 unter gleichzeitiger Drehung durch einen Rotationsmechanismus 15 nach oben gezogen, wodurch an der Spitze der Stange 14 ein gewachsener, 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 für die Erwärmung des durchfließenden Gasstroms eingeschlossen. Die Heizeinrichtung 18 wird in Abhängigkeit von einem Signal eines Thermoelementes 20, das in einem Teil des Rohrs 17 zwischen dem Muffelofen und der Heizeinrichtung 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 etwas niederiger als die Temperatur des Gases in dem Muffelofen 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 diesem Gasstrom erfaßt und damit aus dem Muffelofen abgeführt. Als Ergebnis hiervon wird das Abgas, das ungünstige Wirkungen auf dem Vorformling 16 für die optische Faser hat, sehr rasch aus dem Muffelofen ausgetragen. Andererseits wird jedoch die Zuführung eines großen Gasvolumenπ 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 Tür /Minute eine flackernde Bewegung der Flamme von mehr als 10 mm in der Mitte der

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Flamme. Andererseits führt die Zuführung eines zu geringen Gasvolumens, beispielsweise eines Volumens von weniger als 10 Liter/Minute, nicht zum effektiven Abtransport des nichtreagierten Gases und der Nebenprodukt-Gase. Das Volumen des in dem Muffelofen gespeisten Gases ändert sich im wesentlichen in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Form und dem inneren Volumen des verwendeten Muffelofens, dem Durchmesser der Auslaßöffnung, der Geschwindigkeit der von dem Brenner abgegebenen Gase und ähnlicher Parameter. Bei dem oben beschriebenen, zylindrischen 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 konstanten Geschwindigkeit gehalten werden. Wenn das Gas mit höherer Geschwindigkeit zugeführt wird, sollte die Kapazität der Heizeinrichtung 18 entsprechend gesteigert werden, so daß das Gas auf den gewünschten Temperaturwert erwärmt werden kann.

Die Temperaturverteilung in dem Muffelofen ist im allgemeinen sehr groß, wobei die Temperatur sich mit der Geschwindigkeit 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, die jedoch keine Einschränkung des Krfindungstjedankons darstellen sollen.

Beispiel

Auf eine Temperatur von 150 ⁰C erwärmte Luft wurde mit einer Geschwindigkeit von 40 Litern/Minute einem Muffelofen mit einem äußeren Durchmesser von 300 mm und mit einer Höhe von 800 mm zugeführt; dieser Muffelofen hatte eine Auslaßöffnung mit einem Durchmesser von 40 mm. Andererseits wurde von dem Brenner mit einer Geschwindigkeit von 1,5g/ Minute SiCl₄ als gasförmiges, glasbildendes Material zugeführt; dabei diente Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 150 cc/Minute als Trägergas; von einer Düse zwischen den Düsen für die Zuführung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs wurden als Dichtungsgas 4 £/Minute Wasserstoff, 7 .£/Minute Sauerstoff und 2 C/Minute Argon zugeführt; von dem Brenner wurden 0,2 g/Minute GeCl₄ mit Argon als Trägergas bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 cc/Minute zugeführt. Der Bereich rund um den mittleren Teil der Seitenwand des Muffelofens erreichte eine Temperatur von bis zu 180 ?C; die Flackerbewegung in der Mitte der Flamme wurde auf einen Wert von weniger als 2 mm im Durchmesser begrenzt. 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 Verbrennungsprodukt wurde zu einem transparenten, glasartigen Vorformling 16 verglast (zusammengedrückt); der Vorformling wurde zu einer Faser gezogen, die ein Signal in einem Frequenzbereich von bis zu 800 MHz übertragen konnte.

Vergleichsbeispiel

Ungewärmte Luft (Raumtemperatur) wurde dom Muffelofen mit einer Geschwindigkeit von AO Li tern/M inulo. /.ucjef ülirL; der Bereich rund um den mittleren Teil der Seitenwand erreichte

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nur eine Temperatur von 110 ⁰C; die Mitte der Flamme führte Flackerbewegungen in einem Ausmaß von 7 mm im Durchmesser aus. Die optische Faser, die durch Ablagerung des sich ergebenden 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

GRÜNECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR.&. PARTNER .:.

NIPPON OiEI₁EGEAPH & TELEPHONE PUBLIC COBPOBÄTIQBI

No. 1-6, Uchisaiv»ai-cho 1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES, LTD.

No. 15, Kitahama 5-chome Higashi-ku, Osaka-shi, Osaka, Japan

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PATENTANWÄLTE

EUROPEAN ΡΔΓΕΝ Γ ÄtTO'iNtYS

A. GRÜNECKER, on«.

DR H. KINKELDEY. upi ino *

DR W. STOCKMAIR. t»ei iNG,»tr iAl

DR K. SCHUMANN, rxt. on-,

P. H JAKOB, i»n. ino *

DR G. BEZOI-D, wi o«m

W. MEISTER. c»pl-ins

H. HILGERS. dipl.-ing

DR H. MEYER-PLATH, opu-ing

80OO MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE 43

P 16 858 - dg 11. Dezember 1981

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines
Vorformling für eine optische Faser

Patentan Sprüche

• 1i Verfahren zur Herstellung eines porösen Vorformlings für eine optische Faser durch Hydrolysieren eines gasförmigen, glasbildenden Materials mit einer Flamme von einem Knallgas-Brenner und durch Ablagerung des sich ergebenden Verbrennungsproduktes in einem Muffelofen, dadurch
gekennzeichnet , daß dem Muffelofen neben
dem Gas von dem Knallgas-Brenner ein anderes Gas miL konstanter Temperatur zugeführt wird.

1Q 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

TELEX os-seaao

TELCIORAMME MONAF³AT

das Gas zur Einstellung der konstanten Tmeperatur vorgewärmL wird.

3. Vorrichtung zur Erzeugung eines porösen Vorformling³ · 5. für eine optische Faser durch Hydrolysieren eines gasförmigen, glasbildenden Materials mit einer Flamme von einem Knallgas-Brenner und durch Ablagerung des sich ergebenden Verbrennungsproduktes in Stangenform in einem Muffelofen, dadurch gekennzeichnet, daß der Muffelofen

(12) eine Auslaßöffnung (11) für die nichtreagierten Gase und die Nebenprodukt-Gase von dem Muffelofen (12) aufweist, daß ein Rohr (17) dem Muffelofen (12) ein anderes Gas als die Gase des Knallgas-Brenners (13) zuführt, und daß eine Heizeinrichtung (18) für die Erwärmung des dem Muffelofen (12) durch das Rohr (17) zugeführten Gases vorgesehen ist.