DE2335141C2

DE2335141C2 - Verfahren zur Herstellung einer mit einer Ummantelung versehenen Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE2335141C2
Application number: DE19732335141
Authority: DE
Inventors: Richard Roland Southbridge Mass. Strack; Walter Paul Siegmund; Merton Lewis Woodstock Conn. Smith
Original assignee: Warner Lambert Technologies Inc Dallas Tex; Warner Lambert Technologies Inc
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1972-08-30
Filing date: 1973-07-07
Publication date: 1986-01-23
Also published as: BE804198A; NL7311292A; DE2335141A1; GB1419872A; CA1001417A; FR2209116B3; JPS5759521B2; FR2209116A1; JPS4960747A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit einer Ummantelung versehenen Lichtleitfaser nach dem Gattungsbegriff von Anspruch 1.

Ein Verfahren dieser Art ist in der US-PS 36 53 739 beschrieben. Bei der Herstellung von mit einer Ummantelung versehenen Lichtleitfasern treten regelmäßig an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern und der Faserhülle Lufteinschlüsse bzw. Gasblasen auf, welche zu unregelmäßigen Einbuchtungen der Faseroberfläche führen. Beim Gebrauch der Faser entstehen an diesen Stellen Licht Verluste, welche darauf zurückzuführen sind, daß das durch die Faser geleitete Licht an den betreffenden Stellen unter einem oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion liegenden Winkel auf die Grenzfläche der Faser auftrifft. Gemäß der älteren Patentschrift wurde daher versucht, das Auftreten von Einbuchtungen durch Verwendung einer im Vergleich zum Material des Faserkernes relativ weichen Ummantelung zu lösen, wodurch sich jedoch das Auftreten der besagten Lichtverluste nur unwesentlich verringern läßt.

Durch die GB-PS11 89 265 ist es auch schon bekanntgeworden, bei einem der Fernüberwachung von Feuerungsanlagen dienenden Lichtleitstab eine äußere Um mantelung aus einem textlien Stoff vorzusehen, welcher der Oberfläche des Lichtleitstabes lediglich mit einzelnen Fasern aufliegt. Eine solche Anordnung läßt sich jedoch weder zu dünnen Lichtleitfasern ausziehen, noch zu dichten Faserbündeln zusammensetzen.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art in der Weise weiterzuentwickeln, daß beim Ausziehen dünner, mit einer Ummantelung versehener Lichtleitfasern an

is der Oberfläche des Faserkernes keine zu unerwünschten Lichtverlusten führenden Einbuchtungen entstehen. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigt F i g. 1 die Darstellung eines Verfahrens zum Ziehen optischer Fasern ausgehend von einer Anordnung aus Faserkern- und Umkleidungsmaterialien;

F i g. 2 einen stark vergrößerten Querschnitt der Anordnung der Materialien längs der Linie 2-2 in F i g. 1 beim Ziehen einer Faser in der erfindungsgemäßen Weise;

F i g. 3 einen Schnitt durch die fertige Faser entlang der Linie 3-3 in F i g. 1;

F i g. 4 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der Faser nach F i g. 3; und

F i g. 5 einen Schnitt durch eine ummantelte Faser nach dem Stand der Technik.

Gemäß der Zeichnung bezieht sich die Erfindung auf das Herstellen optischer Fasern mit Kernen aus einem Material mit hohem Brechungsindex, die von Umklei düngen mit einem Material mit niedrigeren Brechungs index umgeben sind, wodurch eine im Inneren reflektierende, den Kern umgebende Grenzfläche gebildet wird, so daß die Fasern nach den allgemein bekannten Grundsätzen der inneren Totalreflexion lichtleitend werden.

Diesbezügliche Einzelheiten finden sich z. B. in den US-PS 28 25 260,33 95 994 und 36 53 739.

Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, ist der Erfindungsgegenstand insbesondere anwendbar auf das Herstellen von glasumkleideten, glasoptischen Fasern,

so jedoch sind nicht ausgeschlossen Fasern, die aus anderen Materialien gefertigt sind, einschließlich derjenigen aus geschmolzenem Quarz und optischen Kunststoffen. Beispiele für die verschiedenen Arten der Faserherstellungsverfahren und Methoden, bei denen der Erfin- dungsgegenstand insbesondere anwendbar ist, finden sich unter anderem in den US-PS 29 80 957 und 30 37 241, wonach ein Faserkernmaterial in Stangenform in das Innere einer Hülse oder eines Rohres aus Faserumkleidungsmaterial gebracht wird unter Aüsbil dung einer Anordnung, die erhitzt und auf Fasergröße gestreckt werden kann. ₄

Wenn auch nach dem Stand der Technik beim Herstellen derartiger Fasern bereits ein Vakuum zwischen Stange und Rohr aufrechterhalten sowie besondere + Sorgfalt dahingehend ausgeübt wurde, daß die äußeren und inneren Oberflächen von Rohr und Stange während der Verarbeitung sauber gehalten werden, hat es sich doch gezeigt, daß das Einfangen von Gasen und das

Heraustreten von Gasen aus den Materialien des Faserkerns oder der Umkleidung und/oder das Vorliegen von Fremdstoffen auf denselben während des Verschmelzens unvermeidbar ist. Somit haben durch Gasblasen bedingte Verformungen an der Grenzfläche bisher ernsthafte Probleme verursacht in Form einer hohen Ausschußrate bzw. des Entstehens mangelhafter Fertigprodukte bei der Herstellung umkleideter faseroptischer Vorrichtungen.

Das Problem der Verformung ist anhand der F i g. 5 erläutert und es ist aufgezeigt, welche neuartigen und verbesserten Ergebnisse erfindungsgemäß erhalten werden.

In dieser Figur sind Gasblasen b in beispielhaften, jedoch etwas übertrieben wiedergegebenen Größen und Formen längs der Grenzfläche /zwischen dem Kern 10 und der Umkleidung 12 bei einer Faser F nach dem Stand der Technik dargestellt. Diese eingefangenen Blasen b erzeugen Einbuchtungen oder Vertiefungen 14 in der Oberfläche des Kerns 10, wobei diese Einbuchtungen unregelmäßige Formen und Größen entsprechend der gesamten Form und Größe der Blase besitzen.

Wie auf dem Gebiet der Fiberoptiken allgemein bekannt und in den oben angegebenen US-PS weiterhin erläutert ist, ist das Vorliegen einer glatten, inneren, reflektierenden Oberfläche längs eines optischen Faserkerns 10 für eine optimale Lichtübertragung durch innere Totalreflexion längs desselben erforderlich. Bei jedem Auffallen eines Lichtstrahls auf die Grenzfläche i erfordert dessen fortgesetzte Leitung durch die Faser F, daß eine Reflexion von der Grenzfläche / innerhalb des kritischen Reflexionswinkels für die spezielle Grenzfläche erfolgt. Somit ist der beispielsweise wiedergegebene Strahl r normalerweise innerhalb des kritischen Reflexionswinkels auf die Grenzfläche i gerichtet. Beim Auftreffen dieses Strahls r auf die Oberfläche der Einbuchtungen 14, die durch eine Gasblase b bedingt sind, wird er nach außen bzw. über den normalen kritischen Reflexionswinkel für die Grenzfläche / hinaus gestreut. Dieses Streuen ist durch die Pfeile r' wiedergegeben, die Lichtstrahlen zeigen, welche durch die Seiten der Faser FaIs Streulicht verloren gehen, wodurch die insgesamt durch den Kern 10 der Faser Ferfolgende Lichtübertragung verringert wird.

Erfindungsgemäß werden nun die umkleideten optischen Fasern dadurch erzeugt, daß eine Herstellung nach den allgemein bekannten Verfahren erfolgt, von denen eines diagrammförmig in der F i g. 1 wiedergegeben ist. Hierbei weist die Anordnung 16 eine zentrale Stange 18 (siehe F i g. 2) aus einem geeigneten lichtleitenden Material mit relativ hohem Brechungsindex auf, wie z. B. optisches Flintglas mit einem Brechungsindex von angenähert 1,75. Die Stange 18 wird mittig in längsseitiger Richtung im Inneren der Hülse 20 getragen, die eine größere innere Durchmessergröße als diejenige der äußeren Durchmesserabmessung der Stange 18 besitzt. Hierdurch verbleibt ein Luftraum 22 zwischen der Stange 18 und der Hülse 20. Abstandshalter 24, vorzugsweise in Form langer und dünner Stäbe mit kreisförmigem Querschnitt erstrecken sich über praktisch die gesamte Länge der Anordnung 16 und halten die Stange 18 in dem angegebenen zentrierten Verhältnis im Inneren der Hülse 20. Somit erstreckt sich ein einheitlich dimensionierter innerer Raum 26 in Umfangsrichtung um die Stange 18. Die Wanddicke der Hülse 20 und die diametrale Dicke eines Abstandshalters 24 können z. B. etwa Vio der gesamten Durchmesserdicke der Anordnung 16 betragen. Vorzugsweise wird die Dicke eines Abstandshalters 24 wesentlich weniger als die Hälfte der gesamten Dicke der Kombination aus Hülse und Abstandshalter ausmachen. Die Anzahl der Abstandshalter 24 ist vorzugsweise kleinstmöglich, d. h. beläuft sich auf drei, wobei dieselben angenähert in Umfangsrichtung im gleichen Abstandsverhältnis um die Stange 18 herum vorliegen. Jeder Abstandshalter 24 weist ebenfalls vorzugsweise eine kreisförmige Querschnittsform auf, um so das Ausmaß der Oberflächenberührung

ίο mit der Stange 18 kleinstmöglich zu halten und somit den Betrag der freiliegenden Fläche der Stange 18 gegenüber der Luft in dem Raum 26 größtmöglich zu halten.
Die Anordnung 16 wird in der üblichen Weise über einem geeigneten, vorzugsweise ringförmigen Erhitzungselement 28 aufgehängt, erhitzt und längsseitig in die Faser 30 gezogen. Einzelheiten bezüglich der Vorrichtung und Verfahrensweise, wie sie normalerweise für das Ziehen einer optischen Faser in der hier beschriebenen Art angewandt werden, finden sich in den angegebenen US-PS 29 80 957 und 30 37 241.

Die Faser 30 (siehe F i g. 3) weist die verschmolzene Kombination der Bestandteile 18,20 und 24 in praktisch proportionalen Abmessungen und Formen auf, jedoch alle in wesentlich verringerter Größe. Die Hülse 20 und die Abstandshalter 24, die vorzugsweise aus identischen Materialien bestehen, bilden zusammen eine äußere Umkleidung 32 mit relativ kleinem Brechungsindex, wobei praktisch lediglich eine Linienberührung zwischen dem Kern 34 der Faser 30 besteht, wodurch ein größtmöglicher Betrag der äußeren Oberfläche 36 des Kerns 34 gegenüber der Luft oder dem Gas in dem sich darum erstreckenden Raum 38 freiliegt. Der Raum 38 entspricht dem Raum 26 in der Anordnung 16, und die Abstandshalterteile 40 der Umkleidung 32 entsprechen den Abstandshaltern 24 der Anordnung 16. Bei der letzteren Anordnung liegt die geringstmögliche Anzahl, d. h. drei, der Abstandshalter vor, so daß eine größtmögliche Fläche des Kerns 34 gegenüber der Atmosphäre und dem Raum 38 freiliegt.

An dem in F i g. 4 stark vergrößert dargestellten Segment der Faser 30 sieht man, daß sich in dem Raum 38 Luft oder Gas befindet, was in spezifischer Weise zu einem Brechungsindex von 1,00 oder doch einem hierzu !

nur sehr wenig abweichenden Wert führt bzw. zu einem Medium mit relativ kleinem Brechungsindex um den Kern 34, welcher selbst aus dem Material mit einem hohen Brechungsindex besteht. Somit ist die Grenzfläche /' zwischen der Luft oder Gas in dem Raum 38 und

so dem Kern 34 im Inneren stark reflektierend gegenüber Lichtstrahlen, wie z. B. dem Strahl r".

Es ist insbesondere zu beachten, daß die Oberfläche des Kerns 34 benachbart zu der Luft oder dem Gas in dem Raum 38 die ursprünglich vorliegenden, glatten Oberflächeneigenschaften der Stange der Anordnung 16 beibehält. Zusätzlich zu der Ausbildung der aus Luft oder Gas bestehenden Grenzfläche mit niedrigem Brechungsindex um den Kern 34 herum ist es der Raum 38, der es ermöglicht, daß normalerweise eingefangene Gase austreten können, ohne daß die Oberfläche 36 oder der Kern 34 eine Einbuchtung oder andere Verunstaltung erfährt. An denjenigen Stellen, wo die Abstandshalterteile 40 der Umkleidung 32 in Verbindung mit dem Kern 34 stehen, werden die Lichtstrahlen, wie der Lichtstrahl r"', ebenfalls normalerweise nach innen bezüglich des Kerns 34 reflektiert unter Fortleiten aufgrund einer inneren Totalreflexion von der Grenzfläche /". Das Verhältnis von kleinem zu großem Brechungsin-

dex der Abstandshalterteile 40 und des Kerns 34 führt zu der nach innen hin reflektierenden Grenzfläche /'">

Anhand der obigen Ausführungen ergibt sich, daß die mit der Grenzflächen verformung verbundenen, durch eingefangene Gasblasen bedingten Probleme nach dem Stand der Technik vermieden werden und eine verbesserte Lichtübertragung in faseroptischen Vorrichtungen erreicht wird.

In denjenigen Fällen, wo eine luftdichte Ausführung der einzelnen Fasern oder Bündel angestrebt oder erforderlich ist, kann ein seitliches Zusammendrücken der gegenüberliegenden Enden derartiger Fasern einzeln oder als Bündel bei geeigneter Verschmelzungstemperatur erfolgen, wodurch sich ein Abdichten der Räume 38 ergibt. Dies hat nur eine geringe, wenn überhaupt eine Wirkung auf die Lichtübertragung durch die Fasern oder Bündel. Dieses Abdichten der¹ Räume 38 braucht sich lediglich über ein kurzes Teil der Länge der Fasern oder an benachbarten beiden Enden oder an irgendeiner Stelle zwischen denselben zu erstrecken. Wahlweise kann jedoch ein Zusammendrücken der Fasern oder Bündel vermieden und ein Abdichten der Räume 38 dadurch bewerkstelligt werden, daß ein Imprägnieren mit einem Epoxid-Klebstoff oder anderem geeigneten Abdichtungsmittel erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer mit einer Ummantelung versehenen Lichtleitfaser, bei dem eine Stange aus einem lichtdurchlässigen Material mittig im Inneren einer Hülse aus lichtdurchlässigem Material angeordnet wird, diese Anordnung auf eine Schmelz- und Ziehtemperatur erhitzt und die Anordnung anschließend in Längsrichtung zu einer Lichtleitfaser ausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser der Hülse wesentlich größer als der äußere Durchmesser der Stange ist, so daß zwischen der Hülse und der mittig in dieser angeordneten Stange ein freier Raum verbleibt und daß in diesem freien Raum mehrere dünne Stäbe parallel zur Stange als Abstandshalter eingebracht werden, wobei diese Stäbe seitliche Abstände voneinander aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange, die Hülse und die Abstandshalter jeweils aus Glas bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse und/oder die Abstandshalter aus einem Material bestehen, dessen Brechungsindex' kleiner ist als der Brechungsindex des Materials der Stange.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse und die Stäbe aus dem gleichen Material gefertigt sind.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Abstandshalter (40) vorgesehen sind, die in gleichen Abständen voneinander über den Umfang der Stange (34) verteilt sind.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rundstäbe als Abstandshalter verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser im erhitzten Zustand über ein kurzes Längsteil in radialer Richtung zusammengedrückt wird, um dort die zwischen dem Kern und der Ummantelung entstandenen Kanäle zu verschließen und abzudichten.