DE19716133C2 - Vorrichtung zum Herstellen einer Lichtleiterfaser - Google Patents

Vorrichtung zum Herstellen einer Lichtleiterfaser

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen einer Lichtleiterfaser aus einer Vorform der optischen Lichtleiterfaser.
Lichtleiterfasern aus Quarz, die in jüngster Zeit für sehr schnelle Datenübertragungsnetzwerke verwendet werden, werden durch Verwendung eines äußeren Dampfabscheidungsverfahrens (outside vapor deposition, OVD) oder eines modifizierten chemischen Abscheidungsverfahrens aus der Dampfphase (modified chemical vapor deposition, MCVD) erzeugt. Das OVD-Verfahren umfasst die Schritte der Hydrolyse eines chemischen Gases, das aus gasförmigen SiCl4 und einem Dotierstoff besteht, durch Brennen mit gleichzeitig zugeführtem Sauerstoff, um eine äußere SiO2-Schicht abzuscheiden, und des Dehydrierens der abgeschiedenen Schicht in einem Hochtemperaturofen unter Verwendung von Cl2 und He, um eine Sinterung durchzuführen, um eine Vorform der Lichtleiterfaser zu erhalten. Bei dem MCVD-Verfahren werden mehrere Schichten innerhalb einer Quarzröhre abgeschieden, indem ein chemisches Gas aus SiCl4 und einem Dotierstoff gleichzeitig mit Sauerstoff zugeführt wird. Wenn die mehreren Schichten abgeschieden sind, wird zunächst der Abdeckungsteil und dann der Kernbereich geformt. Danach wird die so beschichtete Quarzröhre bei einer Zufuhr von Cl2 und He erhitzt, um einen kompakten Quarzstab zu formen. Jedoch besitzt das MVCD-Verfahren den inhärenten Nachteil, dass es nicht in er Lage ist, Vorformen mit einem Durchmesser von mehr als 25 mm zu erzeugen. Um diesen Nachteil zu überwinden, wird das sogenannte Über-Abdeckverfahren (overcladding) verwendet, um eine große Vorform zu erzeugen, um die Produktivität zu erhöhen.
Das Über-Abdeckverfahren wird unter Bezugnahme auf die Fig. 6, 7 und 8 beschrieben. Ein Mantelrohr 24 ist mit einem Trägerrohr 14 niedriger Reinheit versehen, das konzentrisch an einem seiner Enden montiert ist. Das Trägerrohr 14 besitzt eine niedrigere Reinheit als das Mantelrohr 24. Ein Trägerring 16 ist in das Trägerrohr 14 eingesetzt, um eine primäre Vorform 22 der Lichtleiterfaser und das Mantelrohr 24 zu zentrieren. Dazu ist es wünschenswert, dass der Trägerring 16 einen Durchmesser von wenigstens 10 mm besitzt. Fig. 7 zeigt die primäre Vorform 22 der Lichtleiterfaser, wie sie in dem Mantelrohr 24 montiert ist.
An dem unteren Ende der primären Vorform 22 der Lichtleiterfaser ist eine Trägerstange 18 montiert, deren oberes Ende, das an dem unteren Ende des Mantelrohrs 24 angeordnet ist, erhitzt wird, um eine aufgedehnte Kugel 20 zu formen und um das untere Ende des Mantelrohrs 24 abzudichten, wie in Fig. 6 gezeigt. Die so zusammengefügte Struktur wird longitudinal unter Rotieren erhitzt, um das Mantelrohr 24 und die primäre Vorform 22 der Lichtleiterfaser in eine sekundäre Vorform 26 zu verschmelzen, wie in Fig. 8 gezeigt.
Der Vorgang des Ziehens der Lichtleiterfaser aus der sekundären Vorform 26 der Lichtleiterfaser 36 wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Die sekundäre Vorform 26 der Lichtleiterfaser 36 wird langsam einem Ofen 28 zugeführt, der von einem Vorformpositions-Steuerungsmechanismus 35 gesteuert wird. Der Ofen 28 wird bei einigen tausend Grad C, typischerweise bei 2100 bis 2200°C betrieben. Die unbeschichtete Lichtleiterfaser 36 wird aus dem im Querschnitt verringerten Teil der sekundären Vorform 26 der Lichtleiterfaser 36 gezogen. Die Zugkraft wird durch einen Antriebsmotor 34 erzeugt.
Eine Durchmessermessvorrichtung 40 führt eine Messung des Durchmessers der unbeschichteten Lichtleiterfaser 36 durch, um ein Meßsignal zu erzeugen, das zu einem Durchmesserregler 38 geführt wird, um den Durchmesser auf eine vorgegebene Größe, z. B. von 125 µm, zu regeln. Der Durchmesserregler steuert die Zugkraft des Antriebsmotors 34 in Abhängigkeit von dem Meßsignal, um den Durchmesser der unbeschichteten Lichtleiterfaser 36 z. B. bei 125 µm zu halten. Die abgekühlte, unbeschichtete Lichtleiterfaser 36 wird in einer ersten und zweiten Beschichtungseinrichtung 30, 32 mit einem Acryl- oder Silikonharz als Schutzschicht beschichtet. Schließlich wird die beschichtete Lichtleiterfaser auf eine Spule 68 gewickelt.
Somit erfordert das MVCD-Verfahren die drei wesentlichen Schritte des Vorbereitens einer primären Vorform der Lichtleiterfaser durch interne Abscheidung, des Über-Abdeckens der primären Vorform, um eine sekundäre Vorform der Lichtleiterfaser zu erhalten, und schließlich des Ziehens der Lichtleiterfaser aus der sekundären Vorform der Lichtleiterfaser. Diese drei herkömmlichen Schritte zum Erzeugen einer Lichtleiterfaser erfordern viel Zeit, wodurch die Produktivität erniedrigt wird. Zusätzlich erfordert der Schritt des Über- Abdeckens der primären Vorform der Lichtleiterfaser eine große Menge an Sauerstoff oder Wasserstoff. Weiterhin muss bei einer Erhöhung der Größe der primären Vorform der Lichtleiterfaser die der Vorform zugeführte Wärmemenge erhöht werden, wodurch die Transmissionseigenschaften der letztlich erhaltenen Lichtleiterfaser, wie etwa die Lichtverlusteigenschaften, verschlechtert werden.
Aus der DE 42 26 343 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von optischen Fasern bekannt, wobei eine Vorform in einen Ofen eingeführt wird und eine optische Faser aus der Vorform herausgezogen wird. Eine Beschichtungsvorrichtung beschichtet die optische Faser unter Verwendung von Inertgas.
Aus der DE 40 05 729 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vorform für eine optische Faser bekannt. Ein Glasstab ist aus einer Mehrzahl von Rohren umgeben, wobei zwischen den Rohren Hohlräume gebildet sind. Die Hohlräume sind zur Außenumgebung abgedichtet, wobei zwischen den Hohlräumen Verbindungen mittels Bohrungen bestehen, die außer dem Außenrohr in den Rohren gebildet sind. Die Rohre und der Stab werden zu einer Vorform verschmolzen, wobei die Hohlräume mittels einer Vakuumpumpe evakuiert werden.
Aus der DE 37 31 806 ist ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser bekannt, wobei ein Kern in ein Mantelrohr geschoben wird, so dass der Kern zentrisch im Mantelrohr angeordnet ist. Das Mantelrohr und der Kern werden an einem Ende in eine Vorform verschmolzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen einer Lichtleitfaser zu schaffen, die eine hohe Ziehgeschwindigkeit bei guten Qualitätseigenschaften der Lichtleitfaser ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum Ziehen einer Lichtleitfaser aus einer Vorform einen Ofen zum Schmelzen der aus einem Kern und einem Mantelrohr bestehenden Vorform, eine Antriebseinrichtung, um die Lichtleitfaser unter Anwendung einer Zugkraft aus der Vorform zu ziehen und eine zwischen dem Ofen und der Antriebseinrichtung angeordneten Beschichtungseinrichtung zum Beschichten der Lichtleitfaser. Zum zentrischen Ausrichten des Kerns im Mantelrohr ist eine Verbindungseinrichtung mit einer Ringnut vorgesehen, die mit einem ersten Kanal zum Einleiten von Stickstoff und einem zweiten Kanal zum Ableiten von Stickstoff verbunden sind. Der erste und zweite Kanal verlaufen quer zur Längsachse der Verbindungseinrichtung. Die Ringnut ist außerdem mit einem dritten Kanal von Ansaugen von Gas verbunden, der in Richtung der Längsachse der Verbindungseinrichtung verläuft und sich zu dem Raum zwischen dem Kern und dem Mantelrohr hin erstreckt. Eine mit der Verbindungseinrichtung gekoppelte Positionssteuereinrichtung steuert die Zuführung der Vorform zum Ofen. Erfindungsgemäß wird der Raum zwischen dem Mantelrohr und dem Kern durch Anwendung des Bernoulli-Theorems evakuiert, wobei Stickstoff verwendet wird. Dadurch ist der Unterdruck sehr feinfühlig einstellbar. Mit der Vorrichtung wird eine Verunreinigung der Grenzflächen durch eine Verunreinigung des Raumes zwischen dem Kern und dem Mantelrohr während des Ziehprozesses verhindert. Ferner bietet die Vorrichtung den Vorteil, dass eine hohe Ziehgeschwindigkeit möglich ist, da sich der Kern und das Mantelrohr schnell miteinander verbinden. Durch die feinfühlige Steuerung des Drucks zwischen dem Kern und dem Mantelrohr während des Ziehprozesses wird außerdem eine Qualitätsverschlechterung der Lichtleitfaser aufgrund der Verunreinigung von Zwischenflächen verhindert. Das verwendete Stickstoffgas ist wirtschaftlich zu handhaben sowie einfach zu transportieren, zu lagern und zu verwenden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Illustration einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen einer Lichtleiterfaser,
die Fig. 2A, 2B und 2C den Aufbau einer Verbindungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 den Vorgang zum Erzeugen einer aufgedehnten Kugel an einem Ende eines Kerns der Lichtleiterfaser durch Erhitzen,
Fig. 4 den in einem Mantelrohr angeordneten Kern, um mittels einer Verbindungseinrichtung eine Vorform der Lichtleiterfaser zu erzeugen,
Fig. 5 den Vorgang der Herstellung des unteren Endes der Vorform der Lichtleiterfaser als Rundung durch Schmelzen,
Fig. 6 einen Längsschnitt zur Illustration eines Kerns einer Lichtleiterfaser, der konzentrisch in einem herkömmlichen Mantelrohr angeordnet ist,
Fig. 7 einen Querschnitt der Fig. 6,
Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 7, jedoch ist hier das herkömmliche Mantelrohr mit einer primären Vorform der Lichtleiterfaser verschmolzen,
Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Illustration einer herkömmlichen Vorrichtung zum Herstellen einer Lichtleiterfaser.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst eine Vorform-Zuführvorrichtung 42 ein Mantelrohr 44, einen Kern 46, eine Verbindungseinrichtung 47, einen Vorformpositions- Steuerungsmechanismus 35 und eine Stickstoffgaszufuhr 48. Das Mantelrohr 44 besitzt den Brechungsindex der letztendlich geformten Abdeckung. Wenn der Kern 46 der Lichtleiterfaser 46 eng und dicht mit dem Mantelrohr 44 verbunden wird, beträgt das Durchmesserverhältnis des Kerns 46 zu dem Mantelrohr 45 : 125. Die Verbindungseinrichtung 47 dient zum Halten des Kerns 46 der in dem Mantelrohr 44 angeordnet ist, mit einem äquidistanten Abstand zwischen der Seitenoberfläche des Kerns 46 und der inneren Oberfläche des Mantelrohrs 44. Der Vorformpositions-Steuerungsmechanismus 35 steuert die Position des Kerns 46, der mit dem Mantelrohr 44 verbunden ist. Die Stickstoffgaszufuhr 48 drückt Stickstoffgas durch einen Kanal in der Form einer Düse in die Verbindungseinrichtung 47, um den Raum zwischen dem Kern 46 und dem Mantelrohr 44 in einen Vakuumzustand zu evakuieren.
Die Vorrichtung 50 zum Ziehen der Lichtleiterfaser umfasst einen Ofen 28, einen Durchmesserregler 38, eine erste und eine zweite Beschichtungseinrichtung 30, 32 und einen Antriebsmotor 34, welche Elemente ähnlich denen in Verbindung mit Fig. 6 beschriebenen sind.
Fig. 2A zeigt einen Längsschnitt der Verbindungseinrichtung 47, Fig. 2B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie X-X, und Fig. 20 zeigt eine perspektivische Ansicht. Eine Quarzröhre 52 mit niedrigerer Reinheit ist vorgesehen, um das Mantelrohr 44 in Längsrichtung mit der Verbindungseinrichtung 47 zu verbinden. Der Kern 46 ist fest entlang der Mittellinie der Verbindungseinrichtung 47 angeordnet. Die Verbindungseinrichtung 37 ist mit einer Ringnut 56 versehen, die mit einem Stickstoffgaseingangs- und ausgangskanal "A" und "B", die senkrecht zur Längsrichtung der Verbindungseinrichtung 47 geformt sind, und mit einem Saugkanal "C" verbunden ist, der sich in den Raum zwischen dem Mantelrohr 44 und dem primären Kern 46 parallel zu deren Längsrichtung erstreckt. Das Stickstoffgas wird gezwungen, in den Eingangskanal "A" und aus den Ausgangskanal "B" zu strömen, so dass der Raum zwischen dem Mantelrohr 44 und dem Kern 46 durch der Ansaugkanal "C" entsprechend dem Bernoulli- Theorem evakuiert wird.
Das Verfahren zum Ziehen der Lichtleiterfaser 36 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 beschrieben. Ein Ende des Kerns 46, der durch interne Abscheidung hergestellt wird, wird zunächst mit einer Quarzröhre 52 geringer Reinheit verbunden, und der verbundene Bereich wird bei 1400°C geschmolzen, um einen aufgedehnten Teil 58 zu bilden, der wie eine Kugel geformt ist (Fig. 3). Dann wird die Quarzröhre 52 geringer Reinheit von dem Kern 46 entfernt, der dann mit dem aufgedehnten Teil 58 endet. Der Kern 46 wird dann in dem Mantelrohr 44 angeordnet, wobei das aufgedehnte Teil 58 von dem unteren Ende des Mantelrohrs 44 genommen wird, wie in Fig. 4 gezeigt, und das andere Ende fest in der Mitte der Verbindungseinrichtung 47 montiert wird, wie in Fig. 2A gezeigt. Das Mantelrohr 44, das den Kern 46 enthält, wird mit 15 U/min 3 bis 4 Minuten lang rotiert, wobei das aufgedehnte Teil 58, dass von dem unteren Ende des Mantelrohrs 44 aufgenommen wird, auf 1400°C erhitzt wird, während der Raum zwischen dem Kern 46 und dem Mantelrohr 44 durch Durchgang von Stickstoffgas durch die ringförmige Vertiefung 56 in einen Vakuumzustand evakuiert wird. Dann werden der aufgedehnte Teil 58 des Kerns 46 und das benachbarte Ende des Mantelrohrs 46 durch Schmelzen miteinander verbunden, um eine Vorform zu bilden, die aus dem Mantelrohr 44 und dem Kern 46 besteht.
Die derart erhaltene Vorform wird dann dem Ofen 28 unter Steuerung des Vorformpositions-Steuerungsmechanismus 35 zugeführt. Wenn der Ofen 28 auf eine Temperatur von 2350°C erhitzt worden ist und 15 Minuten vergangen sind, wird der Raum zwischen dem Kern 46 und dem Mantelrohr 44 wiederum in einen Vakuumzustand evakuiert, indem ein Stickstoffgas durch die Ringnut 56 geführt wird. Danach, nach 25 Minuten, wird der Boden des Ofens geöffnet, um den geschmolzenen Teil der Vorform fallen zu lassen. Der geschmolzene Teil wird herausgezogen, wobei der Durchmesser so gehalten wird, dass er nicht 125 µm überschreitet und wobei der Teil durch die erste und zweite Beschichtungseinrichtung 30, 32 beschichtet wird und mit dem Antriebsmotor 34 verbunden ist, dessen Ziehgeschwindigkeit automatisch in einem Bereich von 300 bis 700 m pro Minute eingestellt wird.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Ziehen einer Lichtleiterfaser aus einer Vorform, mit:
einem Ofen (28) zum Schmelzen der Vorform, die aus einem Kern (46) und ei­ nem Mantelrohr (44) gebildet ist,
einer Antriebseinrichtung (34), um die Lichtleiterfaser (36) unter Anwendung einer Zugkraft aus der Vorform zu ziehen,
einer zwischen dem Ofen (28) und der Antriebseinrichtung (34) angeordneten Beschichtungseinrichtung (30, 32) zum Beschichten der Lichtleitfaser (36),
einer Verbindungseinrichtung (47) zum zentrischen Ausrichten des Kerns (46) im Mantelrohr (44), die eine Ringnut (56) aufweist, die mit einem ersten Kanal (A) zum ein­ leiten von Stickstoffgas und einem zweiten Kanal (B) zum Ableiten von Stickstoffgas ver­ bunden ist, wobei der erste Kanal (A) und der zweite Kanal (B) quer zur Längsachse der Verbindungseinrichtung (47) verlaufen, und wobei die Ringnut (56) außerdem mit einem dritten Kanal (C) zum Ansaugen von Gas verbunden ist, der in Richtung der Längsachse der Verbindungseinrichtung (47) verläuft und sich zu dem Raum zwischen dem Kern (46) und dem Mantelrohr (44) erstreckt, und
einer mit der Verbindungseinrichtung (57) gekoppelten Positionssteuereinrichtung (35) zum Steuern der Zuführung der Vorform zum Ofen (28).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (28) einen heißen Bereich mit einer Länge von wenigstens 15 cm besitzt.
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