DE2850969C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen einer Faser aus thermoplastischem Material, insbesondere zur Herstellung optischer Wellenleiter aus einem langgestreckten Rohling, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei optischen Wellenleitern führen Durchmesserschwankungen zu Übertragungsverlusten. Ferner ist es beim Koppeln der Enden aufeinanderfolgender Wellenleiterabschnitte erwünscht, daß diese Enden möglichst gleichen Durchmesser haben, weil sonst Kopplungs­ verluste entstehen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der DE-OS 26 53 836 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist bei der Herstellung optischer Wellenleiter aus einem langgestreckten Rohling im Ausziehbereich der Faser wenigstens ein Gasvorhang­ gerät angeordnet, aus dem Behandlungsgas zu dem Rohling aus­ strömt. Eine Regelung des Wellenleiterdurchmessers erfolgt über die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit in dem bzw. den Gasvorhanggeräten. Die damit erreichbaren Durchmesserschwankungen sind jedoch für die heutigen Anforderungen an die Qualität optischer Wellenleiter nicht ausreichend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ziehen einer Faser aus thermoplastischem Material, insbesondere zur Herstellung optischer Wellenleiter aus einem langge­ streckten Rohling, der eingangs genannten Gattung derart weiter­ zubilden, daß die Herstellung von optischen Wellenleitern mit möglichst geringen Durchmesserschwankungen ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiterbilden, sind in den nachgeordneten Patentansprüchen enthalten.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lassen sich bei der Herstellung von Fasern aus thermoplastischem Material, insbesondere bei der Herstellung optischer Wellenleiter aus einem langgestreckten Rohling, minimale Durchmesserschwankungen verwirklichen. Hierzu trägt in vorteilhafter Weise das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare gleichmäßige Erwärmen der Behandlungsgase bei, die durch Begrenzung der Strömung der Gase im Bereich der Innenwandung der Muffel erreicht wird. Hierdurch werden gleichmäßige Ziehbedingungen hergestellt, die vorteilhafterweise auch bei teilweisem Verbrauch des Rohlings aufrechterhalten werden. Die vorgesehene Erwärmung längs einer hinreichend langen Strecke vermeidet das Entstehen von Temperatur­ gradienten und eine daraus resultierende Turbulenz am Ende des Rohlings, an dem der Faden ausgezogen wird, wodurch diese störenden Einflüsse für Schwankungen des Faserdurchmessers ausgeschaltet werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rohling für die Herstellung eines faserförmigen optischen Wellen­ leiters;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rohling, der vor dem Einbringen in den Ziehofen mit einer Flamme formgebend behandelt worden ist;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ziehvorrichtung, die sich zum Herstellen eines fadenförmigen optischen Wellenleiters eignet und eine speziell ausgebildete Halteeinrichtung für den Rohling enthält;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils einer Ziehvorrichtung;

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4; und

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Durchmesserschwankungen bei einem optischen Wellenleiter angibt, der in einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik gezogen worden ist.

Die Zeichnungen sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu gehalten; die erläutern den bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung, nämlich die Herstellung von fadenförmigen optischen Wellen­ leitern, doch können die dargestellten Vorrichtungen auch zum Herstellen anderer Fäden aus thermoplastischem Material Anwendung finden.

Es wird angenommen, daß in den dargestellten Vorrich­ tungen ein Rohling verarbeitet werden soll, der nach einem Flammhydrolyseverfahren gemäß der US-PS Re 28 029 hergestellt worden ist, wenngleich im Rahmen der Erfindung auch andere Rohlinge verarbeitet werden können. Nach der genannten Patentschrift wird zur Herstellung des Rohlings zunächst auf einen im wesentlichen zylindrischen Dorn ein erster Überzug aus Glas aufgebracht, wobei der Brechungsindex des Glases in diesem ersten Überzug einheitlich oder auch in bekannter Weise in radialer Richtung veränderlich sein kann. Sodann wird über diesem ersten Überzug ein zweiter Überzug aus Glas aufgebracht, dessen Brechungsindex kleiner als der des ersten Überzuges ist. Der Dorn wird nach dem Aufbringen des ersten oder des zweiten Überzuges ent­ fernt. Der auf diese Weise erhaltene langgestreckte hohle zylindrische Rohling 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Wie Fig. 2 erkennen läßt, werden die Enden dieses Rohlings vorteilhaft mit einer Flamme bearbeitet, wobei ein Ende 12 des Rohlings verjüngt wird, um den Beginn des Ziehvorganges zu erleichtern, während das andere Ende 14 des Rohlings mit einem Halsteil versehen wird, der in einen Halter paßt.

Ein Ziehofen 20 ist in Fig. 3 dargestellt. Innerhalb des Ofengehäuses 24 wird von nicht dargestellten Bauteilen ein Widerstandsheizelement 22 gehalten. In der Mittelachse des Gehäuses ist eine Muffel 26 aus Tonerde angeordnet, die nahe ihren Enden durch das Gehäuse 24 verschließende Teile 28 und 30 mit diesem verbunden ist. In das Gehäuse 24 ist eine Rohr­ leitung 32 zum Zuführen eines inerten Gases, wie Stick­ stoff, hineingeführt. In einen oben auf die Muffel 26 aufgesetzten Ringteil 36 mündet eine weitere Rohrleitung 34, über welche der Muffel 26 ein Gas zugeführt werden kann. Auf dem Ringteil 36 sitzt eine Endkappe 38 mit einem Rohrstutzen 40, durch den sich ein Halte­ stab 42 für den Rohling erstreckt. Der Rohrstutzen 40 und der benachbarte Teil des Haltestabes 42 sind dicht von einer Metallfolie 44 umschlossen, die mittels eines O-Ringes 46 am Haltestab befestigt ist.

Zum Befestigen des Rohlings 10 am Haltestab 42 können beliebige bekannte Mittel verwendet werden. Gemäß Fig. 3 dient dazu ein den Halsteil 14 des Rohlings 10 erfassender geschlitzter Halter 50. Während des Abziehens des Fadens 52 vom Rohling 10 wird dieser in der Muffel 26 langsam abgesenkt, damit sich der ver­ jüngte Endteil 12 des Rohlings 10 und damit die Wurzel des Fadens 52 stets in der Ofenzone mit der richtigen Temperatur befinden.

Während des Ziehens des Fadens 52 werden durch die Rohrleitung 34 und den Ringteil 36 am oberen Ende der Muffel 26 Sauerstoff und Stickstoff zugeführt. Da das obere Ende der Muffel durch die Teile 36, 38, 40 und 44 verschlossen ist, müssen diese Gase nach unten und am Rohling 10 vorbei strömen, worauf sie am unteren Ende der Muffel austreten können. Die Gase dienen dazu, eine Oxydation von allfälligen Verunreinigungen im Faden bzw. Faser 52 zu gewährleisten, eine Aufwärtsströmung von Gasen innerhalb der beheizten Muffel 26 zu verhindern und allenfalls aus dem heißen Rohling 10 und aus der heißen Muffel 26 austretende Stoffe wegzuspülen.

Der Innendurchmesser der Muffel 26 wird üblicherweise im Vergleich zum Außendurchmesser des Rohlings 10 so groß gemacht, daß kein Teil des Rohlings die Muffel berühren kann. Die über den Ringteil 36 zugeführte Strömung von Sauerstoff und Stickstoff wird beim Durch­ tritt durch den Ringkanal zwischen der Muffel 26 und dem Rohling 10 erwärmt.

Bisher sind diese Gase nur durch den noch nicht verbrauchten Teil des Rohlings gezwungen worden, einen engen Ringkanal nahe der heißen Muffel zu durchströmen, um so erwärmt zu werden. So­ lange der Rohling eine Länge von mehr als etwa 10 cm hat, können die Gase auf die beschriebene Weise im wesentlichen gleichmäßig erhitzt werden, so daß sie keinen wesentlichen Einfluß auf den Durchmesser des gezogenen Fadens ausüben. Nach teilweisem Verbrauch des Rohlings werden die Gase hingegen nicht mehr ausreichend gleichmäßig erwärmt, und die entsprechenden Temperatur­ gradienten und die daraus resultierende Turbulenz am Ende des Rohlings bzw. an der Wurzel des Fadens führt zu den schon erwähnten störenden Schwankungen des Fadendurchmessers.

Gemäß der neuen Vorrichtung wird dieses Problem durch eine Verlängerung des Ringkanals gelöst, den die Gase in der Muffel durchströmen müssen, bevor sie die Wurzel der Faser erreichen. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu diesem Zweck der Haltestab 42 für den Rohling 10 von einem Glasrohr 56 umgeben, das sich an der Oberseite des Halters 50 abstützt. Das dem Halter 50 abgekehrte Ende des Glas­ rohres 56 ist derart einwärts gezogen, daß die Öffnung an diesem Rohrende gerade groß genug ist, damit das Glas­ rohr 56 auf den Haltestab 42 aufgeschoben werden kann. Das eingebaute Glasrohr 56 bewirkt, daß der Sauerstoff und der Stickstoff im Bereich dieses Glasrohres 56 in einem engen Ringkanal nahe der Innenfläche der Muffel 26 strömen müssen, und zwar längs einer Strecke, die hin­ reichend lang ist, um eine gleichmäßige Erhitzung der Gase selbst dann zu gewährleisten, wenn der größte Teil des Rohlings bereits verbraucht worden ist. Nach dem Einbau des Glasrohrs 56 tritt praktisch keine Durch­ messeränderung beim Ziehen eines Fadens auf, voraus­ gesetzt, daß die Gesamtlänge des Glasrohres 56 und des Halters 50 wenigstens etwa 10 cm betragen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungs­ beispiel hat der Halter 60, der am Haltestab 62 ange­ bracht ist, eine langgestreckte Form mit einer Länge von mindestens etwa 10 cm, so daß der Halter 60 selbst die gleiche Funktion ausübt wie die Kombination des Halters 50 und des Rohres 56 beim ersten Ausführungsbeispiel. Der in Fig. 5 gezeigte Schnitt durch den Halter 60 längs der Linie 5-5 in Fig. 4 kann identisch mit einem Schnitt durch den Halter 50 in Fig. 3 sein. Die halbkreisförmige Wand 64 stützt dabei eine kreisförmige Scheibe 66 ab, in der ein diametraler Schlitz 68 ausgebildet ist. Der Rohling 10 nach Fig. 2 wird in diesen Halter ein­ gehängt, indem sein Halsteil 14 in den Schlitz 68 ein­ geführt wird.

Beispiele

Es wurden fünf nachfolgende mit A bis E bezeichnete Rohlinge für optische Wellenleiter nach dem in der US-PS Re 28 029 beschriebenen Verfahren hergestellt. Der erste Überzug, der auf den zylindrischen Dorn aus Glasruß gebildet wurde, bestand aus mit Germanium gedopter Schmelzkieselsäure und Boroxid. Darüber wurde ein zweiter Überzug aus Glasruß aufgebracht, der aus mit Boroxid dotierter Schmelzkieselsäure bestand. Der erste Überzug wurde bei den Rohlingen A, C und E durch Aufbringen mehrerer aufeinanderfolgender Schichten von Glasruß hergestellt, wobei jede einzelne Schicht eine im wesentlichen gleichmäßige Zusammensetzung hatte, die Zusammensetzung aber von Schicht zu Schicht so ver­ ändert wurde, daß sich insgesamt ein abgestufter, nach außen kleiner werdender Brechungsindex ergab. Bei den Rohlingen B und D wurde ein im wesentlichen homogener erster Überzug aufgebracht. Nach dem Herausziehen des Dornes aus den so gebildeten Rohlingen wurden diese in einen Widerstandsofen eingebracht und bei einer Temperatur von etwa 1400°C in einer Heliumatmosphäre gesintert oder konsolidiert. Alle Rohlinge hatten einen Durchmesser von etwa 28 mm.

Die beschriebenen Rohlinge wurden in einen Ziehofen nach Fig. 3 zu fadenförmigen optischen Wellenleitern ausgezogen. Die Muffel 26 aus Tonerde war etwa 90 cm lang und hatte einen Innendurchmesser von 45 mm und einen Außendurchmesser von 51 mm. Sauerstoff und Stick­ stoff wurden je mit einem Durchsatz von 0,028 m³/h in die Rohrleitung 34 und durch die Muffel 26 geleitet. Der Faden 52 wurde von dem sich ver­ jüngten Teil des Rohlings 10 gezogen, der auf eine Maximaltemperatur von etwa 1800°C erhitzt wurde. Das Verwendete Durchmesser-Regelsystem war so eingestellt, daß sich ein Faden mit einem Außendurchmesser von 125 µm ergab. Die Schwankungen Δ d des Fadendurch­ messers d und die Art der Halterung des Rohlings während des Ziehens des optischen Wellenleiters aus den Rohlingen A bis E sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben, wobei die herkömmliche Halterung mit einem kurzen Halter mit "Standard", die Halterung mit einem kurzen Halter 50 in Kombination mit einem Glasrohrstück 56 gemäß Fig. 3 mit "Rohr" und die Halterung mit einem langgestreckten Halter 60 nach Fig. 4 mit "Vollzylinder" bezeichnet sind.

Tabelle

Für den Rohling A wurde ein Standardhalter der in Fig. 3 gezeigten bekannten Art verwendet, d. h. ein Halter 50 aus Glas, der von einem 14 mm dicken Glasstab 42 getragen wurde. Der Halter 50 war 38 mm lang und hatte einen Außendurchmesser von 35 mm. Obwohl das Durch­ messer-Regelsystem beim Ziehen des Fadens aus dem Rohling A in Betrieb war, nahmen die Durchmesserschwankungen von 1,5 µm zu Beginn auf etwa 3,5 µm am Ende des Ziehvorganges zu. Fig. 6 zeigt in Diagrammform die Zunahme der Durchmesserschwankungen Δ d in µm in Abhängig­ keit von der abgezogenen Fadenlänge l in km. Es ist erkennbar, daß die Durchmesserschwankungen deutlich anwuchsen, als noch 4 km Fadenlänge abzuziehen waren, wobei die Zunahme der Schwankungen anhielt, bis der achte und letzte km Faden abgezogen war. Während beim Ziehen der ersten 4 km Fadenlänge nur eine Zunahme der Durchmesserschwankungen von 0,5 µm auftrat, betrugen die zusätzlichen Schwankungen bei den letzten 4 km Fadenlänge 2 µm. Dies ist offenbar darauf zurückzu­ führen, daß der lange und relativ dicke Rohling A zuerst das die Muffel durchströmende Gas längs einer erheblichen Wegstecke gezwungen hat, nahe der heißen Muffelwandung zu strömen, wodurch sich ein relativ kleiner Temperaturgradient in der Gasströmung am freien Ende des Rohlings ergab. Mit zunehmendem Ver­ brauch des Rohlings wurden die Gase nicht mehr so gleichmäßig geführt und erhitzt, und der resultierende Temperaturgradient am freien Ende des Rohlings führte alsdann zu erhöhten Durchmesserschwankungen im abge­ zogenen Faden.

Die Rohlinge B und C, die, wie schon erwähnt, ein einstufiges bzw. ein mehrstufiges Indexprofil hatten, wurden zunächst einem teilweisen Ziehvorgang unter­ worfen, während sie auf einem Standardhalter aufgehängt waren. Unter diesen Arbeitsbedingungen wurden vom Roh­ ling D etwa 6 km Fadenlänge und vom Rohling C etwa 1 km Fadenlänge abgezogen. Wie aus der Tabelle hervorgeht, betrugen die Durchmesserschwankungen zu Beginn des Ziehens bei beiden Rohlingen B und C etwa 1,0 µm. Am Ende des sechsten km Fadenlänge waren die Durchmesser­ schwankungen beim Rohling B auf 1,5 µm angewachsen. Sodann wurde von den Rohlingen B und C der Faden unter den gleichen Bedingungen weiter abgezogen, nur daß die Richtungen von nun ab auf langgestreckten Haltern 60 der in Fig. 4 dargestellten Art aufgehängt waren. Während der langgestreckte Halter ebenso wie der Standardhalter einen Durchmesser von 35 mm hatte, war seine Länge wesentlich größer und betrug 10,2 cm. Die Tabelle läßt erkennen, daß die letzten 4 km Fadenlänge, die vom Rohling B abgezogen wurden, beginnend mit dem siebenten km einen Durchmesser von 125 µm±0,8 µm hatten, und daß sich die Durchmesserschwankungen auf 1,5 µm beim Ziehen des zehnten km Fadenlänge erhöhten. Die Durchmesserschwankungen des Fadens, der vom Rohling C abgezogen wurde, waren während des Ziehens der letzten 9 km vom Rohling konstant und betrugen 1,0 µm.

Vom Rohling D wurden 4 km Fadenlänge unter Verwendung eines Standardhalters und einer Zieheinrichtung nach Fig. 3 gezogen. Die Durchmesserschwankungen erhöhten sich dabei von 2,0 µm während des Ziehens des ersten km auf 3,5 µm während des Ziehens des vierten km. Da der Rohling D noch Material für 1 km Fadenlänge ent­ hielt, wurde er abermals am Halter 50 aufgehängt, doch wurde während des letzten Ziehvorganges ein 17,8 cm langes Glasrohrstück geringer Wärmedehnung mit einem Außendurchmesser von 38 mm und einer Wandstärke von 2 mm oberhalb des Rohlings am Haltestab 42 angeordnet, das sich am Halter 50 abstützte. Beim letzten km Faden­ länge, der vom Rohling D gezogen wurde, betrug die Durchmesserschwankungen nur 1,0 µm. Das gleiche 17,8 cm lange Glasrohrstück wurde während des Ziehens des Fadens vom Rohling E verwendet. Während des Ziehens eines 6 km langen Fadens vom Rohling E blieben die Durchmesserschwankungen konstant auf dem geringen Wert von 1,0 µm.

Aus der vorstehenden Erläuterung der Tabelle ist erkennbar, daß beim Ziehen nach dem Stand der Technik die Durchmesserschwankungen des gezogenen Fadens im allgemeinen von etwa 1,0 bis 1,5 µm zu Beginn des Ziehens auf etwa 3,5 µm beim Ziehen mehrerer km Faden­ länge anwachsen. Durch die erfindungsgemäße Vergrößerung der wirksamen Länge des Halters für den Rohling auf wenigstens 10 cm wird jedoch diese Zunahme der Durchmesserschwankungen verhindert. Die lichte Weite des Kanals zwischen dem Halter und der Muffel beträgt bei einem 10 cm langen Halter vorzugsweise 3 bis 4 mm. Wenn der Kanal breiter als 4 mm ist, soll der Halter länger als 10 cm sein. Der rohrförmige Adapter 56, der auf den Haltestab 42 gemäß Fig. 3 aufgeschoben wird, hat die gleiche Wirkung wie ein langgestreckter Halter der in Fig. 4 gezeigten Bauart. In beiden Fällen wird das Gas gezwungen, in der Muffel einen engen Ring­ kanal von wenigstens 10 cm Länge bis in die unmittel­ bare Nähe jenes Endes des Rohlings zu durchströmen, das dem freien Ende, von dem der Faden abgezogen wird, gegenüberliegt. Sowohl bei Verwendung eines als Voll­ körper ausgebildeten Halters nach Fig. 4 als auch eines aufgeschlossenen Rohrstückes nach Fig. 3 werden beim Ziehen von optischen Wellenleitern die Durchmesser­ schwankungen des Fadens um wenigstens 50% vermindert, verglichen mit den Werten, die bei Verwendung eines Standardhalters herkömmlicher Bauart erzielt werden. In den meisten Fällen kann durch Anwendung der Erfindung der gesamte Rohling zu einem fadenförmigen optischen Wellenleiter ausgezogen werden, ohne daß eine merkliche Zunahme des Fadendurchmessers während des gesamten Ziehvorganges auftritt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Ziehen einer Faser aus thermoplastischem Material, insbesondere zur Herstellung optischer Wellen­ leiter aus einem langgestreckten Rohling, bestehend aus einer langgestreckten, zylindrischen Muffel (26), in der der Rohling (40) derart festhaltbar und auf Ziehtemperatur erhitzt ist, daß von ihm durch ein erstes Ende der Muffel (26) ein Faden (52) abziehbar ist, wobei ein zweites Ende der Muffel (26) mit einer Zuleitung (34) für ein in der Muffel (26) am Rohling (10) vorbeiströmendes Gas versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Muffel (26) in unmittelbarer Nähe des Rohlings (10) auf der dem zweiten Muffelende (26) zugekehrten Seite eine Einrichtung (56, 60) zur Begrenzung der Strömung des Gases auf einen ringzylindrischen Kanal geringer lichter Weite an der Innenwandung der Muffel (26) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Begrenzung der Strömung des Gases aus einem zylinderförmigen Körper (50, 60) von mindestens 10 cm Länge besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zur Halterung des Rohlings (10) vorgesehenen zylin­ drischen Haltestab (42), der das zweite Ende der Muffel (26) durchsetzt und mit einem innerhalb der Muffel (26) angeordneten Halter (50) verbunden ist, an dem der Rohling (10) befestigbar ist, wobei die Einrichtung zur Begrenzung der Strömung des Gases aus einem zylindrischen Rohrstück (56) besteht, das auf den Haltestab (42) aufgeschoben ist und sich auf dem Halter (50) abstützt, und wobei die Gesamtlänge des Rohrstückes (56) und des Halters (50) mindestens 10 cm beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zur Halterung des Rohlings (10) vorgesehenen zylindrischen Haltestab (62), der das zweite Ende der Muffel (26) durchsetzt und mit einem innerhalb der Muffel (26) angeordneten Halter (60) verbunden ist, an welchem der Rohling (10) befestigbar ist, wobei der Durchmesser des Halters (10) zumindest so groß wie der Durchmesser des Rohlings (10) ist und wobei die Länge des Halters (60) mindestens 10 cm beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zwischen der Muffel (26) und der Einrichtung (56, 60) zur Begrenzung der Strömung des Gases für ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des Kanals zwischen der Muffel (26) und der Einrichtung (56, 60) zur Begrenzung der Strömung des Gases zwischen 3 und 4 mm beträgt.