DE1497545B2

DE1497545B2 - Verfahren zum herstellen von optischen fasern

Info

Publication number: DE1497545B2
Application number: DE19661497545
Authority: DE
Inventors: Paul Downey Calif. Fyfe (V.StA.)
Original assignee: Poly Optics Inc
Current assignee: Poly Optics Inc
Priority date: 1965-05-20
Filing date: 1966-05-20
Publication date: 1973-06-07
Also published as: DE1497545A1; DE1497545C3; US3472921A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von optischen Fasern aus einem langgestreckten Körper eines lichtleitenden ersten Materials und aus einem den Körper umgebenden langgestreckten rohrförmigen Mantel aus einem zweiten Material, das eine niedrigere Brechungszahl aufweist als das erste Material.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von lichtleitenden Fasern oder Fäden aus Glas oder einem anderen, thermoplastischen Material bekannt — z.B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 168 023 —, bei dem ein Glasstab, der im wesentlichen zentrisch und senkrecht in einem Glasrohr angeordnet ist, zusammen mit diesem relativ zur Heizzone eines Heizelementes fortlaufend bewegt wird, wobei die Temperatur in der Heizzone und die Relativbewegung so gesteuert werden, daß eine fortschreitende Erwärmung der aus Rohr und Stab bestehenden Anordnung erfolgt, so daß ein fortschreitendes Zusammenschrumpfen des Rohres und inniges Verschmelzen von Rohr und Stab bewirkt wird und anschließend die zusammengeschmolzenen Glasteile auf eine gewünschte verringerte Querschnittsgröße gezogen werden.

Das Hauptproblem bei der Herstellung von lichtleitenden optischen Fasern besteht darin, die 'Lichtverluste innerhalb der Faser, also die Spiegelungsverluste bei der Totalreflexion an den zwei Flächen mit verschiedenen Brechungsindizes in der Faser möglichst weit herunterzudrücken, weil wegen der großen Zahl von Spiegelungen in einer solchen Faser selbst bei sehr geringen Verlusten bei einer einzigen Spiegelung diese Fehler sich addieren und die Lichtstärke einer solchen optischen Faser stark beeinflussen.

Es ist daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern aufzuzeigen, bei dem bisher nicht erreichte Wirkungsgrade derartiger Fasern erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der langgestreckte rohrförmige Mantel abgestützt wird und daß der Mantel mit dem ersten Material in der Weise gefüllt wird, daß das erste Material in flüssiger Form fortschreitend in den Mantel

von dem einen Ende aus zum entgegengesetzten Ende eingelassen wird.

Die Hauptvorzüge der Erfindung bestehen darin, daß eine Wechselwirkung zwischen den einzelnen Fasern eines Faserbündels im wesentlichen ausgeschlossen wird, während die innere Reflexion in jeder Faser wesentlich erhöht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zwischen dem lichtleitenden Kern der Faser und der Umhüllung eine feine Zwischenfläche erzeugt, wobei örtliche Mangel in der Zwischenfläche und damit Stellen mit Sicherheit verhindert werden, an denen aus der Faser Licht heraustreten könnte.

Werden die zum Herstellen der optischen Fasern verwendeten Materialien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt, so können sehr lange Fäden mit einer hohen Lichtleitfähigkeit bei geringster Absorption des von der Faser weitergeleiteten Lichtes erzeugt werden.

kanal zum Absaugen von Gas aus dem ringförmigen Bereich zwischen dem Rohr und dem langgestreckten rohrförmigen Mantel vorgesehen.

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben. In der Zeichnung ist die

F i g. 1 ein Längsschnitt durch eine Einrichtung zum Herstellen von optischen Fasern mit einem großen Durchmesser,

F i g. 2 ein Längsschnitt durch die Einrichtung nach der Fig. 1, der Teile der Einrichtung in einer anderen Stellung zeigt,

F i g. 3 eine Schnittzeichnung, die Teile der Einrichtung nach den F i g. 1 und 2 in einer Zwischenstellung bei der Herstellung einer optischen Faser zeigt, und die

F i g. 4 eine schaubildliche Darstellung der mit der Einrichtung nach der F i g. 1 hergestellten optischen Faser, die zum Teil langgezogen dargestellt ist.

Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung weist

Vorteilhafterweise wird der langgestreckte rohrför- 20 ein Untergestell 10 auf, das eine als Ganzes mit 12 mige Mantel auf ein Rohr zum Strangpressen des bezeichnete Einrichtung zum Strangpressen von lichtleitenden Materials aufgesetzt und der Mantel Kunststoffen trägt. Diese Strangpreßeinrichtung weist mit dem lichtleitenden Material durch das Rohr hindurch von einem Ende des Rohres aus in einer Rich

tung gefüllt, wobei der rohrförmige Mantel vom einen zum anderen Ende des Rohres bewegt wird.

Dabei ist es zweckmäßig, daß während des Strangpressens aus dem Inneren des rohrförmigen Mantels Gas abgesaugt wird. Vorzugsweise besteht der langein Rohr 14 auf, das von Heizwicklungen 16 umgeben ist, eine Strangpreßdüse 18, eine Lochplatte 20 sowie eine Strangpreßschnecke 22, mit der der flüssige Kunststoff in das rechte Ende 24 eines Rohres 26 hineingepreßt wird.

Für den Antrieb der Strangpreßschnecke ist ein Motor 28 vorgesehen. Die Einrichtung weist ferner

gestreckte rohrförmige Mantel aus einem thermopla- 3° einen Fülltrichter 30 auf, der über einen Durchlaß 32

stischen Material mit einer Brechungszahl von weniger als 1,6 und das lichtleitende Material aus PoIystyren mit einer Brechungszahl von 1,6, dessen Erweichungspunkt unter dem Erweichungspunkt des Materials des langgestreckten rohrförmigen Mantels liegt. Der langgestreckte rohrförmige Mantel besteht vorteilhafterweise aus Polymethylmethacrylat mit einer Brechungszahl von 1,5.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1168 023 ist mit der Strangpreßschnecke in Verbindung steht und diese mit Kunststoff versorgt. Der Fülltrichter 30 ist mit einem abnehmbaren Deckel 34 ausgestattet, der an der Gebrauchsstelle mittels einer Schraube 36 befestigt werden kann, die in ein im Fülltrichter angeordnetes Gewindestück 38 eingeschraubt wird. Am oberen Rand des Fülltrichters ist ein Dichtungsring 40 vorgesehen, und ferner ist der Fülltrichter mit Rohrleitungen 42 ausgestattet, durch die ein inertes

weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von opti- 4° Gas, z. B. Stickstoff in die gesamte Strangpreßein-

schen Fasern bekanntgeworden, die sich insbesondere auszeichnet durch ein längliches Gehäuse mit einer darin beweglichen Halterung mit eingebauter Vakuumleitung und mit Sicherungsringen zum Hairichtung eingelassen wird. Abgesehen davon, daß Gase anwendbar sind, die in der Strangpreßeinrichtung eine inerte Atmosphäre aufrechterhalten, arbeitet die Strangpresse in der herkömmlichen Weise und

ten des Glasrohres und eines in dem Glasrohr gehal- 45 führt dem am Einlaß gelegenen Ende 24 des Rohres tenen Glasstabes. Gleichzeitig ist eine Anordnung 26 den flüssigen Kunststoff zu.

Das Ende 24 des Rohres 26 ist an einer Platte 44 angebracht, die an dem Ende der Strangpresse ange-

zur Längsbewegung der Halterung und der zu verschmelzenden Teile vorgesehen, wobei ein Heizelement zum fortschreitenden Erwärmen dieser Teile

dient. Weiterhin sind Formrollen zur Änderung der 50 Außenende 46 vorsteht. Auf dem Rohr 26 ist ein Querschnittsform des Glasstabes und des Glasrohres Gleitglied 48 gelagert, das eine Gleitbewegung von

schraubt ist, wobei das Rohr 26 in Richtung zum

nach deren Verschmelzen vorgesehen.

Die Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein langgestrecktes Rohr auf, das an dem einen Ende mit einer Strangpreßeinrichtung in Verbindung steht, mit der das lichtleitende erste Material in das eine Ende des Rohres einpreßbar ist. Die Einrichtung kennzeichnet sich durch ein Gleitglied, das am Rohr nahe an dessen einem Ende angebracht ist und einen Abstützungsteil aufweist, der dem anderen Ende des Rohres zugewandt ist und das eine Ende des langgestreckten rohrförmigen Mantels abstützt, und durch einen Stopfen, der am anderen Ende des Rohres angebracht ist und das Ende des rohrförmigen Mantels verschließt, wobei das Gleitglied und der Stopfen gemeinsam längs des Rohres bewegbar sind.

Im Gleitglied ist zweckmäßigerweise ein Abzugsdem Ende 24 aus zum Ende 46 ausführen kann und mit einem ersten Abstützteil 50 versehen ist, das das eine Ende eines vorgeformten Mantels 52 aus Kunststoff abstützt, sowie mit einer Schulter 54, die das eine Ende einer steifen Metallhülse 56 aufnimmt. Auf der Metallhülse 56 sind mehrere Heizeinrichtungen 58 angeordnet, die den Kunststoff im Innern des Rohres erhitzen.

Das Gleitglied 48 ist ferner mit einem Absaugkanal 60 versehen, der mit dem Inneren des Gleitgliedes an dem ringförmigen Raum 62 zwischen der Außenseite des Rohres 26 und der Innenseite des vorgeformten Mantels 52 in Verbindung steht.

Am außen gelegenen freien Ende der Metallhülse 56 ist ein Stopfen 64 angeordnet, der das Außenende des Mantels 52 verschließt, der vom Rohr 56 abgestützt wird. Der Stopfen wird vorzugsweise an einer

Antriebseinrichtung angebracht, die in den Fig. 1 und 2 am Ende 66 dargestellt ist und aus einem pneumatischen Zylinder 68 mit einem Kolben 70 und mehreren Anschlußleitungen besteht, von denen eine Leitung 72 dargestellt ist, so daß durch die über die Leitung 72 zugeführte Luft die Bewegung des Stopfens 64 in der Richtung des Pfeiles 74 reguliert werden kann.

Soll die in der F i g. 1 dargestellte Einrichtung zum Herstellen eines optischen Fadens benutzt werden, so wird die Einrichtung zuerst zusammengesetzt, wie in der F i g. 1 dargestellt, wobei in die Metallhülse 56 ein Mantel 52 aus Kunststoff eingesetzt wird, der die Kunststoffummantelung des optischen Fadens bilden soll.

Nach dem Zusammensetzen der Einrichtung nach der F i g. 1 wird der Kunststoff, der den Kern der optischen Faser bilden soll, von der Strangpreßeinrichtung in Richtung des Pfeiles 76 ausgepreßt, wobei das ausgepreßte Material zuerst am Unken Ende des Mantels 52 abgesetzt wird. Danach wird das Strangpressen fortgesetzt, während das Gleitglied 48 und der Stopfen 64 nach links (F i g. 1) in Richtung des Pfeiles 74 bewegt werden, wobei der Mantel 52 in dem an das freie Außenende 46 des Rohres 26 angrenzenden Bezirk vollständig gefüllt wird, das aus dem Mantel 52 bei dessen fortschreitender Füllung allmählich herausgezogen wird. Während des Hineinpressens des Kunststoffs in den Mantel 52 wird über den Absaugkanal ein Unterdruck ausgeübt, der Gase aus dem Inneren des Mantels 52 entfernt und die Bildung von Blasen an der Zwischenfläche zwischen dem Mantel 52 und dem Kunststoffkern verhindert.

Die Fig. 3 zeigt eine Zwischenstufe der Füllung des Mantels 52 mit dem Kunststoff, wobei eine Menge des Kunststoffs als Kern 78 das Kunststoffrohr zwischen dem Stopfen 64 und dem linken Außenende 46 des Rohres 26 füllt. Das Füllen des Mantels 52 wird in dieser Weise fortgesetzt, bis die Einrichtung den in der F i g. 2 dargestellten Betriebszustand erreicht, in dem der Kunststoff 78 den Mantel 52 vollständig ausfüllt.

Nachdem die optische Faser mit der Einrichtung nach den F i g. 1 bis 3 hergestellt worden ist, wird die einen großen Durchmesser aufweisende Faser mittels herkömmlicher Einrichtungen und Verfahren langgereckt oder langgezogen und weist dann einen wesentlich kleineren Durchmesser 80 auf, wie in der F i g. 4 dargestellt, wobei die Dicke des Kerns 78 und des Mantels 52 während des Langziehens entsprechend verringert worden sind. Bei der Herstellung der optischen Fasern nach dem in den F i g. 1 bis 4 dargestellten Verfahren wird zwischen dem in der Mitte gelegenen lichtleitenden Kern 78 und dem Mantel 52 eine ausgezeichnete Zwischenfläche erzeugt, und im wesentlichen werden alle Stellen beseitigt, an denen Licht aus der Faser austreten kann.

Wie bereits bemerkt, ist die Behandlung der Kunststoffe für den Mantel 52 und den Kern 78 vor der Herstellung der Faser sehr wichtig, wenn Fasern mit ausgezeichneter Lichtleitfähigkeit erzeugt werden sollen. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Wahl der zu verwendenden besonderen Kunststoffe außerordentlich wichtig ist, damit außerordentlich feine Kunststoffasern erzeugt werden können.

Der lichtleitende Kern 78 wird aus Polystyren hergestellt, vorzugsweise aus einem Material, das eine Zugfestigkeit von 750 kg/cm², einen Elastizitätsmodul von 50 000 kg/cm², eine Härte von 72 Rockwell M, ein spezifisches Gewicht von 1,04 g/cm³, eine Ablenktemperatur von 99° C, eine Schmelzviskosität von 2700 Poise und eine Brechungszahl von 1,60 aufweist. Als Material für den Mantel 52 wird vorzugsweise ein Polymethyl-methacrylat gewählt, das eine Zugfestigkeit von 700 bis 1100 kg/cm², eine Rockwellhärte von M 85 bis M 105, ein spezifisches Gewicht von 1,17 bis 1,20 g/cm³, eine Ablenktemperatur von 71 bis 90° C und eine Brechungszahl von 1,49 aufweist.

Um bei diesen beiden Kunststoffen die größte Lichtleitfähigkeit zu erreichen, werden diese vor der Herstellung der optischen Faser in der folgenden Weise behandelt. Beide Kunststoffe werden in einer Vakuumkammer ungefähr 4 Stunden lang bei einem Vakuum von weniger als 1 mm QS aufbewahrt, vorzugsweise 24 Stunden lang bei einem Vakuum von ungefähr 1 Mikron QS und bei der Umgebungstemperatur, wonach die Kunststoffe 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 65,5° C in der Vakuumkammer aufbewahrt werden.

Danach wird der Mantel 52 in die Metallhülse 56 eingesetzt, und in den Fülltrichter 30 der Strangpreßeinrichtung wird das Polystyren eingefüllt, wobei der Fülltrichter so rasch wie möglich verschlossen / und mit Stickstoff ausgespült wird, um eine Zersetzung des Polystyrene infolge einer Oxydierung zu verhindern. Danach wird das in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Strangpreßverfahren durchgeführt und der Mantel 52 mit dem Polystyren gefüllt, das sich beim Abkühlen verfestigt. Danach werden die gefüllten Kunststoffröhrchen in die Vakuumkammer wieder eingetragen und stehen zum Langziehen bereit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von optischen Fasern aus einem langgestreckten Körper eines lichtleitenden ersten Materials und aus einem den Körper umgebenden langgestreckten rohrförmigen Mantel aus einem zweiten Material, das eine niedrigere Brechungszahl aufweist als das erste Material, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte rohrförmige Mantel abgestützt wird und daß der Mantel mit dem ersten Material in der Weise gefüllt wird, daß das erste Material in flüssiger Form fortschreitend in den Mantel von dem einen Ende aus zum entgegengesetzten Ende eingelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte rohrförmige Mantel auf ein Rohr zum Strangpressen des lichtleitenden Materials aufgesetzt wird und daß der Mantel mit dem lichtleitenden Material durch das Rohr hindurch von einem Ende des Rohres aus in einer Richtung gefüllt wird, wobei der rohrförmige Mantel vom einen zum anderen Ende des Rohres bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Strangpressens aus dem Innern des rohrförmigen Mantels Gas abgesaugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte rohrförmige Mantel aus einem thermoplastischen Material mit einer Brechungszahl von weniger als 1,6 besteht und daß das lichtleitende Material aus Polystyren mit einer Brechungszahl von 1,6 besteht, dessen Erweichungspunkt unter dem Erweichungspunkt des Materials des langgestreckten rohrförmigen Mantels liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte rohrförmige Mantel aus Polymethyl-methacrylat mit einer Brechungszahl von 1,5 besteht.

6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit einem langgestreckten Rohr, das an dem einen Ende mit einer Strangpreßeinrichtung in Verbindung steht, mit der das lichtleitende erste Material in das eine Ende des Rohres einpreßbar ist, gekennzeichnet durch ein Gleitglied (48), das am Rohr (26) nahe an dessen einem Ende (24) angebracht ist und einen Abstützungsteil (50) aufweist, der dem anderen Ende (66) des Rohres zugewandt ist und das eine Ende des langgestreckten rohrförmigen Mantels (52) abstützt, und durch einen Stopfen (64), der am anderen Ende des Rohres angebracht ist und das Ende des rohrförmigen Mantels verschließt, wobei das Gleitglied und der Stopfen gemeinsam längs des Rohres bewegbar sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen im Gleitglied (48) vorgesehenen Absaugkanal (60) zum Absaugen von Gas aus einem ringförmigen Bereich zwischen dem Rohr und dem langgestreckten rohrförmigen Mantel.

8. Einrichtung nach Anspruch6 oder?, gekennzeichnet durch eine Rohrleitung (42), die mit der Strangpreßeinrichtung verbunden ist und durch diese ein inertes Gas hindurchleitet.

9. Einrichtung nach Anspruch 6,7 oder 8, gekennzeichnet durch eine steife Metallhülse (56), die den langgestreckten rohrförmigen Mantel (52) teleskopartig umgibt, sich zwischen dem Gleitglied (48) und dem Stopfen (64) erstreckt und einen auf das Rohr aufgeschobenen rohrförmigen Mantel am Umfang abstützt, und durch Heizeinrichtungen (58), die an der Metallhülse (56) diese umgebend angebracht sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch Antriebseinrichtungen aus einem pneumatischen Zylinder (68) und einem Kolben (70), die mit dem Stopfen in Ver-

' bindung stehen und diesen längs des genannten Rohres (26) mit regelbarer Geschwindigkeit bewegen.