DE2850493A1

DE2850493A1 - Verfahren und vorrichtung zur stetigen herstellung optischer fasern

Info

Publication number: DE2850493A1
Application number: DE19782850493
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Cocito
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1979-05-31
Also published as: NL173385C; SE432418B; US4202679A; JPS5477727A; CA1112431A; BR7806230A; JPS6132267B2; BE872270A; DE2850493B2; AU524265B2; AU4171078A; DE2850493C3; CH629165A5; GB2009140B; NL7811507A; NL173385B; SE7811843L; ES474480A1; FR2410291A1; GB2009140A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur stetigen Herstellung optischer

Fasern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur stetigen Herstellung optischer Fasern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekanntlich ist die Technik der Herstellung optischer Fasern zur Verwendung im Fernmeldewesen so weit fortgeschritten, daß Fasern niedriger Dämpfung hergestellt werden können, bei deren Verwendung es beispielsweise möglich ist, einen Zwischenverstärkerabstand in der Größenordnung einiger zehn Kilometer zu haben, wobei kommerziell erhältliche Bestandteile verwendet werden. Auf diese Weise können Fernverbindungen mit Hilfe optischer Fasern verwirklicht werden.

Hierbei ist es erwünscht, daß die Verbindung eine geringstmögliche Anzahl von Faserabschnitten umfaßt, um möglichst wenige Spleißungen zu erfordern. Selbst in den einfachsten Fällen ist nämlich das Spleißen der Fasern zeitaufwendig und erfordert zusätzliches Personal, wodurch die Installationskosten erheblich steigen. Außerdem erweist sich in vielen Fällen diese Operation als besonders schwierig oder komplex. Ferner führt jede Verbindung zwischen Fasern unterschiedlicher Charakteristiken, bei-

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spielsweise unterschiedlichen Außendurchmessers, unterschiedlicher Arten und Durchmesser des Kerns usw., zu unvermeidlichen Verlusten an den einzelnen Spleißstellen, unabhängig von der Qualität dieser Spleißungen.

Aus diesen Gründen ergibt sich das Problem, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung ausfindig zu machen, das es ermöglicht, optische Faserabschnitte zu schaffen, deren Länge mindestens gleich dem maximalen aufgrund der Fasercharakteristiken zulässigen Zwischenverstärkerabstand ist.

In der Literatur sind Verfahren beschrieben worden, die für die stetige Herstellung optischer Fasern geeignet oder an sie anpaßbar sind, beispielsweise das Doppelschmelztiegel-Verfahren oder das Verneuil'sehe Verfahren. Diese Verfahren ermöglichen jedoch das Erzielen eines gegebenen Indexprofils nur im Fall von stufigem Indexprofil und führen gelegentlich zu schwer lösbaren Materialverschmutzungsproblemen .

Demgegenüber wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung die stetige Herstellung optischer Fasern beliebigen Querschnitts und beliebigen radialen und axialen Indexprofils ohne Materialverunreinigungsgefahren ermöglicht. Hierdurch werden Verbindungen über weite Entfernungen hinweg unter Verwendung eines einzigen Faserabschnitts oder auch durch Spleißen von Faserabschnitten, die aus einem einzigen Faserstück erhalten worden sind, das somit wiederzusammengefügt wird, ermöglicht. Außerdem können die Fasern ein Brechungsindexprofil erhalten, das sich entlang der Faserachse selbst ändert, was für spezielle Zwecke nützlich ist.

Im Rahmen der Erfindung kann die dort erfolgende Verglasung oder Sinterung des pulverisierten Materials während der Niederschlagung als Wirkung der durch die Implantation gelieferten Energie

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und möglicherweise auch durch die von einem Elektronenstrahl gelieferte Energie vervollständigt werden. Sie kann auch während der fortschreitenden Bewegung oder während des Ziehschritts vervollständigt werden und kann gegebenenfalls weiteren Behandlungen des Materials zugeordnet werden. · -. .

Anspruch 7 gibt eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Durchführungsform bzw. Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, deren einzige Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt und das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Vorformungskammer 1, einen Kanal 2, der ein Lager für eine Anfangs» stange 8 bildet und mit Vorschubeinrichtungen 3 für die fort- · ι schreitende Bewegung der Stange 8 in Axialrichtung umfaßt, eine Wärmekammer 4 und eine Faserziehvorrichtung 5. Die Vorformungskammer 1 ist mit einer Vakuumpumpe 6 ausgestattet und mit einer Verteilvorrichtung 7 zum Verteilen von pulverisiertem glasartigem oder verglasbarem Material wie z. B. reiner synthetischer Kieselsäure oder Glasmaterial mit niedrigem Erweichungspunkt verbunden. Dieses Material fällt stetig oder unstetig auf die Oberseite der Stange 8 und schlägt auf dieser aufeinanderfolgende Materialschichten nieder. Den Bereich, innerhalb dessen das Material niederfällt, umgibt eine Randbegrenzungsvorrichtung 9, die diesen Bereich dem Querschnitt der Anfangsstange im wesentlichen gleich macht. Beim Weiterschieben der Anfangsstange setzt sich diese dann als Zwischen-produktstange, die ebenfalls mit 8 bezeichnet wird, fort. Die Zwischenproduktstange weist schon die schließliche Materialzusammensetzung auf.

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Innerhalb der Kammer 1 befindet sich ein Ionengenerator 10 von bekannter Art, der in die niedergeschlagenen Schichten Ionen implantiert, die zum Erzielen einer'Materialdotierung notwendig sind. Diese Dotierung bewirkt bekanntlich die erforderlichen Änderungen im Brechungsindex der aus der Zwischenproduktstange erhaltenen Faser. Die Ionenimplantation bewirkt eine mehr oder weniger vollständige Verglasung der niedergeschlagenen Schichten in Abhängigkeit von der Energie des vom Generator 10 emittierten Ionenstrahls.

Die Verglasung kann in der Kammer 1 mit Hilfe eines Elektronenbeschusses vervollständigt werden, der von einer innerhalb der Kammer 1 montierten Elektronenquelle 11 ausgeht, welcher eine Einrichtung zur Erzeugung eines gestrichelt eingezeichneten Magnetfelds 13 zugeordnet ist, das den Elektronenstrahl antreibt und ihn auf der Oberseite der Zwischenproduktstange 8 konzentriert.

Alternativ kann die Verglasung auch in Schritten vervollständigt werden, die sich an das Material-Abladen und die Ionenimplantation anschließen, also in Schritten während der fortlaufenden Bewegung oder auch während des Ziehens zur Faser. Bevor eine völlige Verglasung erhalten wird, kann das Material einer thermischen Behandlung in einer geeigneten Gasatmosphäre unterworfen werden, um beispielsweise bestimmte Verbesserungen der Übertragungscharakteristiken der erzeugten optischen Faser zu erzielen, etwa durch einen verringerten Hydroxylgehalt oder Oxidation oder Reduktion möglicher metallischer Verunreinigungen usw.

Der vom Ionengenerator 10 emittierte Strahl ist allgemein in radialer Richtung so abzulenken, daß er eine gewisse gesteuerte Änderung der Ionenkonzentration in-'der Zwischenproduktstange 8 und so Brechungsindexvariationen in der Faser erzeugt. Vorteilhafterweise kann der Strahl auch innerhalb der Kammer 1 rotierend dargestellt werden, so daß bei Bedarf eine hinsichtlich der'Achse

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der Stange 8 gleichmäßig symmetrische Dotierungsverteilung erhalten wird. Durch Beeinflussen der Steuerungen des Generators 10 kann die Ionenimplantation auch so verändert werden, daß eine axiale Brechungsindexänderung bewirkt wird, wie es bei speziellen Verwendungen der Faser notwendig sein kann.

Der Kanal 2, der beliebigen Querschnitt haben kann, weist entlang seinen Wänden die Vorschubeinrichtungen 3 auf, die die Axialbewegung der Stange 8 und des oben auf ihr niedergeschlagenen Materials zu weiteren Wärmebehandlungskammern oder -zonen und weiterhin zur Wärmekammer 4 bewirken. Die Vorschubeinrichtungen können wie dargestellt aus Rollen oder auch aus Zugsystemen oder anderen geeigneten Systemen bestehen. Zu den weiteren möglichen Kammern oder Behandlungsbereichen gehören wenigstens eine Kammer für eine Wärmebehandlung in kontrollierter Atmosphäre und ein Vorheizbereich zum.Vervollständigen der Verglasung des Materials der im Zwischenzustand befindlichen Stange. Dieser Bereich kann sich an eine Kammer oder an die letzte Kammer für die Wärmebehandlung in gesteuerter Atmosphäre anschließen oder mit ihr zusammenfallen.

Die Wärmekammer 4, von der nur die Außenwände dargestellt sind, kann von bekanntem Aufbau sein oder auch eine früher vorgeschlagene Konstruktion aufweisen (italienische Patentanmeldungen 7OOO5-A/76, 70006-A/76, CSELT). In der Wärmekammer 4 wird die Verglasung des niedergeschlagenen Materials, falls erforderlich, verbessert und ist die Temperatur auf eine Höhe justiert, die sich zum Ziehen der Stange zu einer.Faser eignet, was mit Hilfe der Faserziehvorrichtung 5 von irgendwelcher bekannter Konstruktion bewirkt wird.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Das von der Verteilvorrichtung 7 kommende pulverisierte Material rieselt oben auf die Stange 8 und wird mit geeigneten Dotierungsionen so'bom-

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bardiert, daß die geforderte radiale und axiale Verteilung des Brechungsindex in der entstehenden optischen Faser erzeugt wird. Gegebenenfalls wird es zusätzlich von den von der Elektronenquelle 1 1 emittierten Elektronen bombardiert, um so eine mehr oder weniger vollkommene Verglasung zu erzielen.

Gleichzeitig wird die Zwischenproduktstange 8, die aus den Schichten aus mehr oder weniger vitrifiziertem Material besteht, entlang dem Kanal 2 zur Wärmekammer 4 vorgeschoben und durchquert dabei mögliche Zwischenbehandlungszonen. Die in der Wärmekammer 4 geschmolzene Stange 8 bildet eine Konusform, die sich zum Ziehen zu einer Faser eignet, und zwar als Folge des von der Faserziehvorrichtung 5 durchgeführten Streckens, wodurch eine Faser mit den geforderten Eigenschaften entsteht. Derjenige Teil, der Faser, der der Anfangsstange entspricht, die zum Ingangsetzen des Verfahrens verwendet wird, wird vor Gebrauch entfernt.

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Claims

- Patentansprüche

1. Verfahren zur stetigen Herstellung optischer Pasern beliebigen Querschnitts, bei dem man von einer glasartigen Stange ausgeht, deren Temperatur auf einen Erweichungspunkt-Pegel eingestellt ist und die man zu einer Faser zieht, dadurch gekennzeichnet, daß man Lagen pulverisierten glasartigen oder verglasbaren Materials auf die Oberseite einer Anfangsstange aufbringt und
diese Lagen eine nach der anderen, wie sie erzeugt werden, durch Ionenimplantation einer geeigneten Dotierung so, daß eine gegebene radiale und axiale Verteilung des Brechungsindex in der zu erzeugenden Faser erhalten wird, unterwirft und durch die Ionenimplantation in Abhängigkeit von der Energie der Ionen außerdem die niedergeschlagenen Schichten noch zu einem gewissen Grad verglast; und daß man gleichzeitig die Stange in axialer Richtung
zusammen mit den auf ihrer Oberseite niedergeschlagenen Schichten fortschreitend weiterbewegt und so stetig ein in Axialrichtung
wachsendes Zwischenprodukt erzeugt, das man durch die axiale Bewegung in eine Zone verbringt, in der die Temperatur des Zwischenprodukts auf einen Pegel eingestellt ist, bei dem es zu einer Faser gezogen werden kann, wobei man die .Fortbewegungsge-

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ijchwindigkoit so einstellt, daß ein stetiges Gleichgewicht zwischen der auf ..der Oberseite niedergeschlagenen Materialmenge und der durch das Ziehen zur Faser weggenommenen Materialmenge besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Aufbringen der Schichten des glasartigen oder verglasbaren Materials durch einen Vakuumprozeß bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schichten des pulverisierten Materials bei ihrer Niederschlagung vollständig als Effekt der Energie des lonenstrahls und gegebenenfalls noch der Energie eines aufgebrachten Elektronenbeschusses vollständig verglast.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verglasung der Schichten des pulverisierten Materials in auf die Niederschlagung und die Ionenimplantation folgenden Schritten vervollständigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schichten des teilweise verglasten Materials vor der vollständigen Verglasung einer Behandlung in einer Gasatmosphäre unterwirft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als glasartige oder verglasbare Materialien synthetische Kieselsäuregläser oder Gläser mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit-einer Wärmekammer zum Aufheizen einer Glasstange und einer Faserziehvorrichtung zum Ziehen des glasartigen, aus der Wärmekammer kommenden Materials zu einer Faser,

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dadurch gekennzeichnet, daß sich vor der Wärmekammer (4) eine Vorformungskammer (1) befindet, die auf einer Seite zu einer Verteilvorrichtung (7) des glasartigen oder verglasbaren pulverisierten Materials und auf der anderen Seite zu einem Kanal (2) führt, der diese Vorformungskammer (1) mit der Wärmekammer (4) verbindet und in dem eine Anfangsstange (8) anzuordnen ist, auf deren Oberseite das Material in Form übereinandergelegter Schichten während einer stetigen oder unstetigen Bewegung nach unten innerhalb der Kammer niederschlagbar ist, wobei die Vorformungs- ^ammer (1) eine Randbegrenzungsvorrichtung (9) enthält, die die Fläche, auf die das Material fällt, so begrenzt, daß sie im wesentlichen mit der Fläche der Oberseite der Anfangsstange (8) übereinstimmt,- sowie einen Ionengenerator (10), der in das Material bei dessen Niederschlagung dotierende Ionen implantiert, die die geforderte radiale und axiale Änderung des Brechungsindex des niedergeschlagenen Materials bewirken und gegebenenfalls eine teilweise oder vollständige Verglasung dieses Materials bewirken, und wobei dem Kanal (2) Vorschubeinrichtungen (3) zugeordnet sind, die die Anfangsstange (8) mit den darauf angeordneten Schichten, während diese darauf niedergeschlagen werden, in Axialrichtung zur Wärmekammer (4) vorwärtsbewegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionengenerator (10) zur Erzielung einer hinsichtlich der Stangenachse gleichförmig symmetrischen Dotierungsverteilung innerhalb der Vorformungskammer (1) um deren Achse drehbar angeordnet ist. ■

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Vorformungskammer (1) eine Elektronenquelle (11) befindet, die zum Heizen des niedergeschlagenen Materials zur Bewirkung von dessen teilweiser oder vollständiger Verglasung einen Elektronenbeschuß auf das niedergeschlagene Material durchführt. ' ~

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang dem Kanal (2) zwischen der Vorformungskammer (1) und der Wärmekammer (4) eine Kammer für die Wärmebehandlung der niedergeschlagenen Schichten in kontrollierter Atmosphäre befindet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekammer (4) gemäß ihrem Aufbau die Verglasung des niedergeschlagenen Materials bewirkt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang dem Kanal (2) zwischen der Vorformungskammer (1 ) und der Wärmekammer (4) ein Zwischen-Vorheizbereich befindet, in dem das Material der Zwischenproduktsstange (8) voll verglast wird und der sich an die mögliche Kammer oder letzte Kammer für die Behandlung in gesteuerter Atmosphäre anschließt oder mit ihr zusammenfällt.

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