DE102004059868B3

DE102004059868B3 - Anordnung und Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern

Info

Publication number: DE102004059868B3
Application number: DE200410059868
Authority: DE
Inventors: Kay Dr. Schuster; Johannes Dr. Kirchhof; Kirsten Dr. Gerth; Jens Dr. Kobelke
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern zur Verfügung zu stellen, die den Aufwand für die Faserpräparation gegenüber den bisher bekannten Verfahren reduzieren und die Gefahr der Verunreinigungen der Fasern verringern, wird dadurch gelöst, dass die Anordnung aus einer Preform (2), einem Überfangrohr (7), einem Mantelrohr (3), einer Leckgas-Absaugung (5) und einem Ziehofen (1) besteht, wobei der Ziehofen (1) das Mantelrohr (3) und die Preform (2) umgibt, das Mantelrohr (3) die Preform (2) umgibt, das Mantelrohr (3) an seiner dem Ziehofen (1) abgewandten Seite die Leckgas-Absaugung (5) aufweist, indem diese durch die Wand des Mantelrohrs (3) in dessen Innenraum führt, die Preform (2) an ihrer dem Ziehofen (1) abgewandten Seite mit dem Überfangrohr (7) dichtend verbunden ist, das mit einer Druckzuführung verbunden ist und das in das Mantelrohr (3) an seiner dem Ziehofen (1) abgewandten Seite führt, wobei zwischen Preform (2) und Überfangrohr (7) eine Klebeverbindung besteht und die dichtende Verbindung zwischen Preform (2) und Überfangrohr (7) eine spezifische Leckrate aufweist, die Preform (2) aus einem zentralen lichtleitenden Element, das von einer Packung aus Kapillaren umgeben ist, besteht und die Kapillarpackung vermittels des Überfangrohrs (7) mit einem Druck ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern.

Mikrooptische Fasern werden üblicherweise nach der so genannten „Stark-and-Draw-Methode" hergestellt.

Bei diesem Verfahren wird durch hexagonales Packen von Röhren um einen zentralen Kernstab eine lichtleitende Struktur erzeugt.

Der Lichtpropagationsmechanismus der nach diesem Verfahren hergestellten mikrooptischen Fasern wird durch den effektiven Brechzahlunterschied zwischen dem massiven Kern und dem hohlraumdurchsetzten Mantel erzeugt.

Alternativ dazu kann der zentrale Vollmaterialkern durch einen Hohlkern substituiert werden. In diesem Fall erfolgt die frequenzselektive Lichtwellenübertragung nach dem so genannten Band-Gap-Transmissionsmechanismus.

Derzeit ist eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung mikrooptischer Fasern bekannt.

Die Schrift DE 601 00 159 T2 offenbart bspw. ein Verfahren, bei dem die Röhren (Elemente) in ein röhrenartiges Gefäß angeordnet werden und dieses Gefäß anschließend mit einem silikathaltigen Sol befüllt wird. Nachdem das Sol geliert ist, werden bei diesem Verfahren die Röhren (Elemente) entfernt, so dass ein Gelkörper entsteht, der getrocknet, gereinigt und gesintert wird, um anschließend aus diesem gesinterten Gelkörper die Fasern zu ziehen.

Aus der Schrift WO-03/078339 A1 ist bekannt, dass mikrostrukturierte optische Fasern durch Pressen hergestellt werden können.

Die Schrift US 6,444,133 beschreibt ein Verfahren, bei dem aus einer Preform Fasern geätzt und gezogen werden.

Die Schrift EP 1 340 725 A2 beschreibt ein Verfahren, bei dem während des Ziehens der Faser durch einen Ofen unterschiedliche Drücke zum Aufrechterhalten der Faserstruktur vorgesehen sind.

Bekannt ist, dass beim Verziehen hohlstrukturierter Preformen in Ziehöfen durch Oberflächenspannungseffekte Strukturdegenerationen zwischen Preform und gezogener mikrostrukturierter Faser auftreten. Diese Strukturdegenerationen können, wie in WO 03/080524 A1, US 6,705,126 B2 , US 2003/172682 A1 und 2003/0230118 A1 durch das Anlegen eines der Krümmung der Kapillaren entgegenwirkenden Drucks kompensiert werden.

Die WO-Schrift 03/080524 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter optischer Fasern aus einer Preform, bei dem die unterschiedlichen Lochgrößen während des Ziehens der Fasern dadurch erreicht werden, dass jedes Loch der Kapillaren mit einem individuellen und veränderbaren Druck beaufschlagt wird.

Nachteilig dabei ist, dass jedes Loch mit einem veränderbaren Druck beaufschlagt werden muss.

Die US-Schrift 6,705,126 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung optischer Fasern, bei dem während des Ziehprozesses Gas in die Luftlöcher des Systems eingeführt wird, wobei dies durch Drucksysteme geschieht, die eine vorbestimmte Menge Gas unter konstantem Druck zuführen.

Der Nachteil hierbei ist, dass nicht mit einem veränderbaren Druck gearbeitet werden kann.

Die US-Schrift 2003/172682 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verziehen von Fasern, bei dem vermittels mehrerer Drucksysteme entweder an die Kapillaren oder an die Kapillarzwischenräume ein Überdruck oder ein Unterdruck angelegt wird.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass mehrere Drucksysteme angekoppelt werden müssen und dass mit ihm keine strukturhomogenen mikrooptischen Fasern erzeugt werden können.

Die US-Schrift 2003/0230118 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung Photonischer Band-Gap-Fasern, bei dem mehrere Drucksysteme an die Kapillaren bzw. Kapillar-Zwischenräume angekoppelt werden.

Der Nachteil des in der Schrift US 2003/0230118 A1 beschriebenen Verfahrens ist, dass zu seiner Realisierung eine sehr komplizierte Ankopplung mehrerer Drucksysteme an die Kapillaren der inneren Struktur (indexgeführte PC-Packung), an die Kapillaren der äußeren Struktur (Air-Clad-Struktur) und an die Kapillar-Zwischenräume notwendig ist.

Dies führt dazu, dass die Faserpräparation sehr aufwendig ist.

Hinzu kommt, dass durch die Ankopplung der mehreren Drucksysteme, die durch Verkleben erfolgt, aufgrund der hohen thermischen Belastung beim Verziehen die Gefahr der Verunreinigung steigt, was zur Verschlechterung der optischen Eigenschaften der mikrooptischen Fasern führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern zur Verfügung zu stellen, die den Aufwand für die Faserpräparation gegenüber den bisher bekannten Verfahren reduzieren und die Gefahr der Verunreinigung der Fasern verringern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 2 bis 8 entnehmbar.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kapillaren der inneren Struktur (indexgeführte PC-Packung), die Kapillaren der äußeren Struktur (Air-Clad-Struktur) und die Kapillar-Zwischenräume mit einem einzigen Druckzuführungssystem verbunden werden können.

Bei dem Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern wird eine Anordnung verwendet, die eine hohlstrukturierte Preform umfasst, die in einem Ziehofen zur Faser verzogen wird, wobei das dem Ziehofen abgewandte Ende der Preform über ein Überfangrohr mit einem Druckzuführungssystem so in Verbindung steht, dass die Preform regelbar mit einem Druck beaufschlagbar ist.

Um die Preform zu erhalten, werden zuvor Kapillaren zu einer kompakten Packung zusammengelagert, die in ein Mantelrohr eingeführt wird.

Die Querschnittsdimensionen dieser Kapillaren bestimmen die Geometrie und somit die optischen Parameter der späteren Photonischen Kristallfaser.

Beim Ziehprozess im Ziehofen führt üblicherweise die Wirkung der Oberflächenspannung an der gekrümmten Quarz-Gasatmosphäre-Grenzfläche zum Kollabieren der Hohlräume (Lochstrukturen) in den Kapillaren. Um diesem Effekt entgegenzutreten, wird üblicherweise ein Überdruck im Kapillarinnenbereich angewendet bzw. durch komplizierte Mehrdrucksysteme versucht, querschnittsmäßig homogene Lochstrukturen in der Photonischen Kristallfaser zu erzeugen.

Eine Schwierigkeit dabei besteht darin, dass eine übliche hexagonale Kapillaranordnung (wie auch andere Packungstrukturen von Kapillaren) unterschiedliche Hohlraumquerschnitte und Oberflächenkrümmungen an den Hohlräumen von Kapillarinnen- im Vergleich zu außenoberflächen im Aufschmelzprozess der Preform generieren. Diese müssten mit jeweils genau angepassten Drücken beaufschlagt werden, um eine querschnittshomogene Faser-Lochstruktur zu erzeugen.

In der Praxis sind diese unterschiedlichen Lochdimensionen während des Ziehprozesses weder messtechnisch zugänglich, noch ist eine Einzellochbeaufschlagung mit vertretbarem technischem Aufwand realisierbar.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass, wenn die übliche hermetisch abgedichtete Druckzuführung der einzelnen Kapillaren durch eine spezifische Verbindungstechnik ersetzt wird, d. h. eine spezifische Leckrate über die Kapillarzwischenräume (mittels geeigneten, z. B. porösen Klebeverfahren) eingestellt wird, eine deutlich verbesserte Strukturhomogenität der Lochstruktur der Photonischen Kristallfaser erzeugt werden kann. Die Größe der Zwischenräume wird über die varriierende „Dichtheit" der Packung eingestellt. Die Zwischenräume sind dabei jedoch nicht völlig hermetisch abgedichtet. Die Feinjustage der Hohlstruktur der gezogenen Faser (im μm-Bereich) wird über eine Leckgas-Absaugung erzielt.

Diese erfindungsgemäße Lösung besitzt den den Vorteil, dass über die Wahl der Gaszusammensetzung (z.B. Einstellung des He-Ar-Verhältnisses) die Wärmeleitfähigkeit des Durchtrittsmediums in weitem Bereich variiert werden kann. Mögliche Spülmedien zum Durchströmen der Kapillarzwischenbereiche und zur Druckeinstellung unterscheiden sich erheblich in ihrem Wärmeleitvermögen, z.B. Ar: 0,0177 W/m/K; He: 0,152 W/m/K, O₂: 0,026 W/m/K. Durch geeignete Mischung dieser Gase kann der konvektive Wärmetransport in der Kapillarpackung um nahezu eine Größenordnung varriiert werden.

Das einstellbare Durchströmen des Kapillarzwischenbereichs ermöglicht es, das ansonsten anlagentechnisch vorgegebene Temperaturprofil beim Ziehprozess definiert zu verändern, d.h. ca. 30% breiter oder schmaler im Vergleich zum Standardtemperaturprofil des Faserziehofens auszuführen.

Die laterale Verkleinerung des kritischen Fließbereichs beim Übergang Preform → Faser führt wiederum zu einer Verbesserung der Strukturhomogenität der mikrooptischen Faser.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert.
Dabei zeigt die 1: Prinzipaufbau der Preformanordnung für das erfindungsgemäße Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer Anordnung gemäß 1 durchgeführt.
Diese Anordnung umfasst eine Preform mit einem Überfangrohr, ein Mantelrohr mit Leckgas-Absaugung und einen Ziehofen.
Die Preform besteht aus einem zentralen lichtleitenden Element, das von einer Packung aus Kapillaren umgeben ist, deren Wandstärke unterschiedlich ist. An dem dem Ziehofen abgewandten Ende steht die Preform mit dem Überfangrohr in dichtender Verbindung, so dass ein regelbarer Druck auf das lichtleitende Element, auf die Kapillarpackung, sowie auf die Kapillarzwischenräume anlegbar ist, wenn das im Ziehofen befindliche Ende der Preform kollabiert ist.
Das zentralen lichtleitenden Element kann ein Stab oder ein Hohlstab sein.
Ein Teil der Kapillaren sind als Röhren ausgebildet, deren Wandstärke mindestens 25 % ihres Durchmessers beträgt.
Ein weiterer Teil der Kapillaren sind als Röhren ausgebildet, deren Wandstärke mindestens 50 % ihres Durchmessers beträgt.
Die Kapillaren und das zentrale lichtleitende Element bestehen aus Quarzglas oder aus Quarzglas, das mit Phosphor, Aluminium, Bor, Titan, Vanadium, Zinn, Germanium, Flour und/oder seltenen Erden dotiert ist.
Aufgrund der Kreissymetrie aller Kapillaren in hexagonaler Anordnung verbleiben Kapillarzwischenräume in der Preform.
Das Mantelrohr weist eine Wandstärke auf, die mindestens das zehnfache des Wertes der Kapillarenwandstärke der dünnwandigeren Kapillaren beträgt.
Erfindungswesentlich ist, dass die abgedichtete Verbindung zwischen der Preform und dem Überfangrohr durch eine spezifische Verbindungstechnik, bspw. vermittels einer porösen Verklebung, gebildet wird, über die eine spezifische Leckrate über die Kapillarzwischenräume einstellbar ist. Diese Leckrate bewegt sich in einem Bereich von 0,01 bis 5 Normkubikdezimeter pro Minute.
Der regelbare Druck ist über Beaufschlagung des Überfangrohres mit Inertgas und/oder Sauerstoff (bei total kollabiertem Preformende im Ziehofen) erzeugbar.
Durch Verziehen des im Ziehofen befindlichen Endes unter gleichzeitiger regelbarer Druckbeaufschlagung des anderen Endes der Preform vermittels eines Druckführungssystems wird eine Faser mit hochgenauer Längsporenstruktur hergestellt.
Das durch die Zwischenräume strömende Druckgas wird während des Faserziehens über die Leckgas-Absaugung entsprechend seiner Flussmenge abgesaugt.
Gleichzeitig wird mittels des durchströmenden Druckgases die Temperatur in einem Bereich von +/– 10 K feinjustiert und somit die Viskosität der Kapillarpackung beeinflusst.
Um eine unterschiedliche Lochgröße in der resultierenden Faser zu gewährleisten, muss nach Anlaufen des Faserziehprozesses (Zeitpunkt, zu dem die Faser total kollabiert und noch keine Druckbeaufschlagung am Überfangrohr erfolgt) zunächst ein den Außenkapillaren entsprechender Druck von maximal 10000 Pa an die Kapillarpackung angelegt werden.
Nach dem „Öffnen" der Air-Clad-Struktur werden die Faserziehbedingungen dahingehend variiert, dass ein um ca. 60 größerer Faseraußendurchmesser resultiert.
Durch die erforderliche höhere Preformnachführrate (bei konstanter Ziehgeschwindigkeit) verringert sich die „effektive Temperatur" an der Preform (um ca. 50 K).
Durch eine Verlängerung des Abzugsbereiches wird ein intermediärer Zustand aus dem oberen Fließbereich dieser Zone eingefroren, der z. B. einer Air-Clad-Struktur kombiniert mit indexgeführter PCF entspricht. Die konkreten Dimensionsverhältnisse in der Faser können sowohl durch die Kapillarabmessungen (Außendurchmesser 0,5 mm bis 3 mm) bei der Preformherstellung als auch durch die Größe des angelegten Kapillarinnendruckes von maximal 10000 Pa eingestellt werden. Die Höhe der Leckrate durch die Kapillarzwischenräume ist dabei konstant und dient der Temperaturfeinjustierung.

1: Ziehofen
2: Kapillarpackung
3: Mantelrohr
4: Kapillar-Klebeverbindung
5: Leckgas-Absaugung
6: Druckzuführung
7: Überfangrohr

Claims

Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern umfassend eine Preform (2), ein Überfangrohr (7), ein Mantelrohr (3), eine Leckgas-Absaugung (5) und einen Ziehofen (1), wobei • der Ziehofen (1) das Mantelrohr (3) und die Preform (2) umgibt, • das Mantelrohr (3) die Preform (2) umgibt, • das Mantelrohr (3) an seiner dem Ziehofen (1) abgewanden Seite die Leckgas-Absaugung (5) aufweist, indem diese durch die Wand des Mantelrohrs (3) in dessen Innenraum führt, • die Preform (2) an ihrer dem Ziehofen (1) abgewanden Seite mit dem Überfangrohr (7) dichtend verbunden ist, das mit einer Druckzuführung (6) verbunden ist und das in das Mantelrohr (3) an seiner dem Ziehofen (1) abgewanden Seite führt, wobei zwischen Preform (2) und Überfangrohr (7) eine Klebeverbindung besteht und die dichtende Verbindung zwischen Preform (2) und Überfangrohr (7) eine spezifische Leckrate aufweist, • die Preform (2) aus einem zentralen lichtleitenden Element, das von einer Packung aus Kapillaren umgeben ist, besteht und • die Kapillarpackung vermittels des Überfangrohrs (7) mit einem Druck beaufschlagbar ist sowie • die Preform durch den Ziehofen hindurch bewegbar ist.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung porös ist.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckrate 0,01 bis 5 Normkubikdezimeter pro Minute beträgt.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Kapillaren unterschiedlich ist.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Kapillaren 0,5 mm bis 3 mm beträgt.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale lichtleitende Element ein Stab oder ein Hohlstab ist.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Kapillaren als Röhren ausgebildet ist, deren Wandstärke mindestens 25 % ihres Durchmessers beträgt.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil der Kapillaren als Röhren ausgebildet ist, deren Wandstärke mindestens 50 % ihres Durchmessers beträgt.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaren und das zentrale lichtleitende Element aus Quarzglas oder aus Quarzglas, das mit Phosphor, Aluminium, Bor, Titan, Vanadium, Zinn, Germanium, Flour und/oder seltenen Erden dotiert ist, bestehen.
Anordnung zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß den Ansprüchen 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Mantelrohrs (3) mindestens das zehnfache des Wertes der Kapillarenwandstärke der Kapillaren beträgt.
Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern unter Verwendung einer Anordnung nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche umfassend folgende Schritte: • Erwärmen des Mantelrohrs (3) und der Preform (2) im Ziehofen (1) bis das im Ziehofen (1) befindliche Ende der Preform (2) kollabiert ist, • Anlaufen des Faserziehprozesses zu dem Zeitpunkt, an dem die Preform (2) völlig kollabiert ist, • Druckbeaufschlagung des dem Ziehofen (1) abgewanden Endes der Preform (2) über das Überfangrohr (7), so dass ein regelbarer Druck auf dem zentralen lichtleitenden Element und den Kapillaren sowie auf den Zwischenräumen zwischen den Kapillaren anliegt, wobei eine Leckage durch die Zwischenräume zu verzeichnen ist, und • Absaugung des Leckagegases über die Leckgas-Absaugung (5).
Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung maximal 10000 Pa beträgt.
Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der regelbare Druck mit Inertgas und/oder Sauerstoff erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckage-Rate konstant ist und der Temperaturfeinjustierung dient.
Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Zwischenräume strömende Gas während des Faserziehens entsprechend seiner Flussmenge abgesaugt wird.
Verfahren zur Herstellung von strukturhomogenen mikrooptischen Fasern gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des durchströmenden Gases die Temperatur in einem Bereich von +/– 10 K feinjustiert wird, wodurch die Viskosität der Kapillarpackung beeinflusst wird.