DE68904607T2

DE68904607T2 - Verfahren zum herstellen von glasvorformen fuer optische fasern.

Info

Publication number: DE68904607T2
Application number: DE8989111759T
Authority: DE
Inventors: Toshio C O Yokohama Wo Danzuka; Masumi C O Yokohama Works Ito; Masahiro C O Yokohama W Takagi; Hiroshi C O Yokohama Wo Yokota
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1993-07-15
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: AU3708089A; DE68904607D1; US4978378A; AU609621B2; EP0348935A3; KR910009177B1; KR910000550A; JPH029727A; JPH0478568B2; CA1338203C; EP0348935B1; EP0348935A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Glasvorform für die Verwendung bei der Herstellung einer optischen Faser.
Eines der Verfahren zum Herstellen einer Glasvorform für die Verwendung bei der Herstellung einer optischen Faser umfaßt Synthetisieren von Glasteilchen (feine Glasteilchen) aus einem Glas-bildenden Rohmaterial mittels Flammenhydrolyse, Ablagern der feinen Glasteilchen auf einer Peripherie eines rotierenden Ausgangsglasstabes (Teilchenablagerung), wobei ein poröser Glaskörper in Richtung einer Achse des Glasstabes unter Bildung eines Komposits aus dem Glasstab und dem abgelagerten porösen Glaskörper gebildet wird, und Erhitzen und Sintern des Komposits in einem elektrischen Ofen unter Verfestigung des porösen Glaskörpers, wobei ein transparenter Glasvorformling hergestellt wird. Es ist bei der Sinterstufe wichtig, eine vollständig transparente Glasvorform mit keinen restlichen Blasen oder anderen Mängeln zu erhalten.
Bei der Sinterstufe werden die feinen Glasteilchen in dem porösen Glaskörper zusammengeschmolzen, so daß jeder Hohlraum in dem Glaskörper allmählich isoliert wird. Die Sinteratmosphäre ist einer der wichtigen Faktoren für das Erhalten der vollständig transparenten Glasvorform durch Schrumpfen und Verschwindenlassen der isolierten Blase. Wenn der poröse Glaskörper in einer Atmosphäre eines Gases gesintert wird, welches eine große Löslichkeit in dem Glas besitzt, wird das transparente Glas leicht erhalten. Es ist bekannt, daß es in Helium sehr leicht ist, das transparente Glas ohne restliche Blasen zu erhalten, wohingegen in Argon oder Stickstoff Blasen in dem gesinterten Glas zurückbleiben. Deshalb wird im allgemeinen der poröse Glaskörper in der Heliumatmosphäre gesindert.
Der mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellte Glasvorformling wird unter Erzeugung einer optischen Faser mit einem Außendurchmesser von 100 bis 200 um gezogen. Bei der Ziehstufe wird der Glasvorformling auf eine Temperatur von 1.900ºC oder höher erhitzt und gezogen, weil der Glasvorformling zu einem ziehbaren Zwischenproduktstab mit einem geeigneten Durchmesser zum Ziehen weiterverarbeitet werden sollte. Wenn der Glasvorformling Mängel wie beispielsweise sehr kleine kristalline Teilchen oder Blasen an einer Zwischenfläche zwischen dem Ausgangsglasstab und dem abgelagerten Teil aufweist, wachsen derartige Mängel unter Erzeugung großer Blasen in dem Glasstab zum Ziehen, wodurch die Produktionsmenge an Glasstab zum Ziehen beträchtlich abnimmt. Wenn beispielsweise kristalline Teilchen oder Blasen von 0,1 bis 0,5 mm Durchmesser enthalten sind, wachsen sie zu Blasen mit Durchmesser von 1 bis 5 mm. Wenn der Glasstab zum Ziehen mit derartig großen Blasen gezogen wird, wobei die optische Kaser hergestellt wird, wird die optische Faser leicht zerbrochen und kann nicht kontinuierlich hergestellt werden.
JP-A-62 072 537 bezieht sich auf die Verglasung eines porösen Quarzvorformlingstabes.
Ein mittels Flammenhydrolyse von SiCl&sub4; gebildeter poröser Quarzvorformlingstab wird rotiert und erhitzt in Heliumgas. Anschließend wird das Heliumgas durch Stickstoffgas ersetzt, und der Vorformling wird bei 1.000 bis 1.450ºC, vorzugsweise bei 1.280ºC bis 1.430ºC erhitzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Glasvorformlings für die Verwendung bei der Herstellung einer optischen Faser zur Verfügung zu stellen, bei dem der Sinterschritt von einem porösen Glaskörper zu einem transparenten Glasvorformling verbessert wird, und wobei aus dem Vorformling ein Glasstab zum Ziehen ohne Blasen hergestellt wird.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Glasvorformlings für die Verwendung bei der Herstellung einer optischen Faser zur Verfügung, wobei das Verfahren die Stufen umfaßt:
- Ablagern von feinen Glasteilchen auf einer Peripherie eines Ausgangsglasstabes unter Bildung eines porösen Vorformlings,
- Erhitzen und Sintern des porösen Glasvorformlings in einer Heliumatmosphäre unter Verfestigung des porösen Glasvorformlings und
- Erhitzen des gesinterten Glasvorformlings bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1.000ºC, ausgenommen 1000ºC, in einer Atmosphäre, die ein anderes Inertgas als Helium enthält, mit einem Partialdruck des Inertgases von nicht weniger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) unter Erhalt eines transparenten Glasvorformlings.
Vorzugsweise wird der Glasvorformling in der Atmosphäre mit dem Partialdruck des Inertgases von nicht weniger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1.000ºC, ausgenommen 1000ºC, 120 bis 360 Minuten erhitzt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Partialdruck des anderen Inertgases als Helium nicht höher als 10&sup5; Pa (1 Atm).
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen die Anzahl der Blasen in den Glasstäben zum Ziehen, welche in der Stickstoffatmosphäre bei einem Partialdruck von 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) bei 800ºC bzw. 600ºC bzw. 1200ºC erhitzt wurden und den Transmissionsverlust aufgrund der 0H-Gruppen in den hergestellten optischen Fasern des Beispiels 2.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Ablagerung der feinen Glasteilchen und das Sintern des porösen Glasvorformlings für die Verfestigung auf konventionelle Arten durchgeführt werden. Das bedeutet, die feinen Glasteilchen werden synthetisiert, indem ein Glas-bildendes Rohmaterial (beispielsweise SiCl4) und ein Brenngas (beispielsweise Wasserstoffgas, Methangas) und Sauerstoffgas einem Brenner zum Synthetisieren der Glasteilchen und Flammenhydrolysieren des Glasbildenden Rohmaterials in der Flamme zugeführt werden. Die synthetisierten feinen Glasteilchen werden auf der Peripherie des rotierenden Ausgangsglasstabes unter Bildung eines Komposits aus dem Glasstab und dem abgelagerten porösen Glaskörper abgelagert. Das Komposit wird erhitzt und in einem Ofen in der Heliumatmosphäre bei einer Temperatur von 1500 bis 1650ºC unter Verfestigung des Komposits gesintert. Es kann jedwedes konventionelles Verfahren zum Herstellen des transparenten Glasvorformlings verwendet werden. Darüber hinaus kann ein Glasvorformling mit irgendeiner Glaszusammensetzung mittels der vorliegenden Erfindung behandelt werden.
Dann wird der gesinterte Glasvorformling weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung in der Inertgasatmosphäre, ausgenommen Helium, mit einem Partialdruck des Inertgases von nicht weniger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) bei einer Temperatur im Bereich von 800ºC bis 1000ºC, ausgenommen l000ºC, vorzugsweise 120 bis 360 Minuten erhitzt. Durch diese Behandlung wird das Wachstum der Defekte bei dem anschließenden Ziehen verhindert, und es wird ein Glasstab zum Ziehen mit guter Qualität in hoher Produktionsmenge hergestellt.
Die Atmosphäre, in der der gesinterte Glasvorformling weiterhin erhitzt wird, kann anderes Gas enthalten, vorausgesetzt, daß der Partialdruck des Inertgases, ausgenommen Helium, nicht niedriger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) ist. Beispielsweise kann Luft-haltiger Stickstoff mit einem Partialdruck von 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) oder mehr verwendet werden.
Wenn der poröse Glasvorformling in der Heliumatmosphäre gesintert wird und in einer Zwischenstufe gemäß dem konventionellen Verfahren gezogen wird, enthält der gebildete Glasstab zum Ziehen Blasen aus Helium. Aufgrund dieser Tatsache wird angenommen, daß das in dem Glas während des Sinterns gelöste Helium Blasen in dem gezogenen Glasvorformling erzeugen kann.
Im allgemeinen nimmt die Löslichkeit eines Gases im Glas ab, wenn die Temperatur ansteigt. Dann wird Helium, welches in Glas bei einer niedrigeren Temperatur gelöst wird, in einen übersättigten Zustand bei einer hohen Temperatur von 1900ºC während des Ziehens umgewandelt, und überschüssiges Helium bildet Blasen in dem erweichten Glas.
Um die Bildung derartiger Blasen zu verhindern, ist es wirksam, die Gaskonzentration in dem Glas auf eine niedrigere Konzentration als den Sättigungspunkt herabzusetzen. Das heißt, die Unterdrückung der Blasenbildung während des Ziehens wird durch Verringern der Heliumkonzentration durch Verdampfung von Helium aus dem gesinterten Glas erwartet.
Aufgrund der vorhergehenden Überlegung wird die vorliegende Erfindung vollendet.
Stickstoff und Argon werden vorzugsweise als das in der Atmosphäre, in der der gesinterte Glasvorformling weiterhin erhitzt wird, enthaltene Inertgas verwendet. Von diesen ist Stickstoff am meisten bevorzugt, weil es das leicht erhältliche billigste Inertgas ist und eine geringe Löslichkeit in Glas aufweist.
Deshalb wird die nachfolgende Erklärung unter Bezugnahme auf Stickstoff als Inertgas gegeben.
Helium kann bei einem Partialdruck von Stickstoff von nicht weniger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) effektiv entfernt werden, selbst wenn anderes Gas mit einer großen Löslichkeit im Glas wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium in der Atmosphäre enthalten ist. Der Partialdruck des anderen Inertgases als Helium ist vorzugsweise nicht höher als 1,0 x 10&sup5; Pa (1 Atm).
Wenn reiner Stickstoff verwendet wird, beträgt der Stickstoffdruck vorzugsweise 1,0 x 10&sup5; Pa (1 Atm).
Wenn der gesinterte Glasvorformling in einer derartigen Atmosphäre bei einer niedrigeren Temperatur als 800ºC erhitzt wird, wird Helium nicht wirksam entfernt, weil die Diffusionsgeschwindigkeit von Helium gering ist. Wenn die Heiztemperatur 1000ºC übersteigt, wandert eine nicht-vernachlässigbare Menge von an der Zwischenfläche zwischen dem Ausgangsglasstab und dem synthetisierten Glas vorhandenen OH-Gruppen in den Ausgangsglasstab. Die OH-Gruppen werden während des Flammenpolierens des Ausgangsglasstabes für die Entfernung von Staub und Verunreinigungen von der Oberfläche des Ausgangsglasstabes gebildet. Weil die OH-Gruppe eine Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von 1,38 um hat, welche in der Nähe der Wellenlänge von 1,3 um oder 1,55 um liegt, welche für die optische Transmission durch die optische Faser verwendet wird, verschlechtert die Wanderung der OH-Gruppen in den Ausgangsglasstab, welcher den Kern der optischen Faser bildet, die Transmissions-Verlusteigenschaften der optischen Faser.
Die Heizzeit wird basierend auf den gleichen Gründen, wie zuvor angegeben, festgesetzt. Wenn die Heizzeit kürzer als 120 Minuten ist, wird Helium nicht ausreichend entfernt. Wenn die Heizzeit mehr als 360 Minuten beträgt, erreicht der Heliumentfernungseffekt Maximum, und die in den Ausgangsglasstab eingewanderten Menge von OH-Gruppen ist nicht vernachlässigbar.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht.

Beispiel 1

Als Ausgangsglasstab wurde ein Glasstab, bestehend aus einem Kernteil aus mit GeO&sub2;-versetzte SiO&sub2; (Unterschied der spezifischen Brechungskoeffizienten: 0,3 %) mit einem stufenartigen Brechungskoeffizientenprofil und einem Umhüllungsteil aus reinem SiO&sub2;, welches das Kernteil umgab, verwendet. Das Kernteil wies einen Durchmesser von 4,0 mm auf, und das Umhüllungsteil hatte einen Außendurchmesser von 16,0 mm
Mittels Flammenhydrolyse von SiCl&sub4; synthetisierte Glas(SiO&sub2;)-Teilchen wurden unter Bildung einer porösen Vorform mit einem Außendurchmesser von 150 mm und einer Länge von 700 mm um den Ausgangsglasstab abgelagert. Dann wurde der poröse Vorformling unter Rotation in einen Heizofen mit einer auf 1600ºC gehaltenen reinen Heliumatmosphäre qesetzt, und ein gesinterter Gegenstand mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Länge von 400 mm erhalten. Visuelle Prüfung des gesinterten Gegenstandes zeigte einige Mängel von 0,1 mm Größe, welche winzige Blasen sein könnten.
Der gesinterte Gegenstand wurde anschließend in einem Ofen mit einer Atmosphäre, die Stickstoff bei einem Partialdruck von 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) enthielt, bei 900ºC 180 Minuten erhitzt und anschließend während einer Dauer von etwa 30 Minuten bei 2000ºC gezogen.
Der hergestellte Glasstab zum Ziehen wies keine Blasen auf und hatte einen Durchmesser von 1 mm oder größer.

Vergleichsbeispiel

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde ein gesinterter Glaskörper mit Defekten des gleichen Grades hergestellt. Anschließend wurde das gesinterte Teil in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 gezogen, ohne daß es jedoch in der Stickstoffatmosphäre erhitzt wurde. Der Glasstab zum Ziehen enthielt acht Blasen von 1 bis 2 mm Durchmesser pro Meter Stab.

Beispiel 2

Auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 wurde ein gesinterter Glaskörper hergestellt.
Der gesinterte Körper wurde unter Variieren der Heizbedingungen erhitzt, und die Zahl der in dem Glasstab zum Ziehen gefundenen Blasen wurde gezählt. Anschließend wurde der Glasstab unter Herstellung einer optischen Faser gezogen, und es wurde der auf den OH- Gruppen beruhende Transmissionsverlust bei einer Wellenlänge von 1,38 um untersucht.
Fig. 1 zeigt die Anzahl der Blasen in dem Glasstab zum Ziehen, welcher in der Stickstoffatmosphäre bei einem Partialdruck von 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) bei 800ºC erhitzt wurde und den auf den OH-Gruppen in der optischen Faser, die aus dem Glasstab hergestellt ist, beruhenden Transmissionsverlust. Unter diesen Bedingungen wurden sieben Blasen pro Meter Glasstab bei einer Heizzeit von 60 Minuten gefunden, und der auf den OH-Gruppen beruhende Transmissionsverlust vergrößerte sich bei einer Heizzeit von 420 Minuten. Bei einer Heizzeit von 120 bis 360 Minuten war die Anzahl der Blasen gering, und der auf den OH-Gruppen beruhende Transmissionsverlust nahm ab.
Die gleichen Ergebnisse wie in Fig. 1 werden bei dem Temperaturbereich von 800 bis 1000ºC erhalten.
Fig. 2 zeigt die Anzahl der Blasen in dem Glasstab zum Ziehen, welcher in der Stickstoffatmosphäre bei einem Partialdruck von 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) bei 600ºC erhitzt wurde, und den auf den OH-Gruppen in der optischen Faser, die aus dem Glasstab hergestellt ist, beruhenden Transmissionsverlust. Bei derartig niedriger Temperatur wurde selbst nach 420-minütigem Heizen keine Wirkung erzielt.
Fig. 3 zeigt die Anzahl der Blasen in dem Glasstab zum Ziehen, welcher in der Stickstoffatmosphäre bei einem Partialdruck von 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) bei 1200ºC erhitzt wird, und den auf den OH-Gruppen in der optischen Faser, die aus dem Glasstab hergestellt ist, beruhenden Transmissionsverlust.
Bei einer derartig hohen Temperatur nahm der auf den OH-Gruppen beruhende Transmissionsverlust zu.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Glasvorform für die Verwendung bei der Herstellung einer optischen Faser, wobei das Verfahren die Stufen umfaßt:

- Ablagern von feinen Glasteilchen auf einer Peripherie eines Ausgangsglasstabes unter Bildung einer porösen Glasvorform,

- Erhitzen und Sintern der porösen Glasvorform in einer Heliumatmosphäre unter Verfestigung der porösen Glasvorform und

- Erhitzen der gesinterten Glasvorform bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1000ºC, ausgenommen 1000ºC, in einer Atmosphäre, die ein anderes Inertgas als Helium enthält, wobei der Partialdruck des Inertgases nicht niedriger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) ist, unter Erhalt einer transparenten Glasvorform.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesinterte Glasvorform 120 bis 360 Minuten in der Atmosphäre erhitzt wird, die ein anderes Inertgas als Helium enthält, wobei der Partialdruck des Inertgases nicht niedriger als 0,8 x 10&sup5; Pa (0,8 Atm) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das andere Inertgas als Helium Stickstoff ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ausgangsglasstab aus einem Kernteil und einem Umhüllungsteil besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Partialdruck des anderen Inertgases als Helium nicht höher als 10&sup5; Pa (1 Atm) ist.