DE3010481A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen optischer fasern sowie nach diesem verfahren hergestellte optische fasern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen optischer fasern sowie nach diesem verfahren hergestellte optische fasern

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DE3010481A1
DE3010481A1 DE19803010481 DE3010481A DE3010481A1 DE 3010481 A1 DE3010481 A1 DE 3010481A1 DE 19803010481 DE19803010481 DE 19803010481 DE 3010481 A DE3010481 A DE 3010481A DE 3010481 A1 DE3010481 A1 DE 3010481A1
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Description

U.V. Philips' Bloeilampeniabiieh-sn, EndfiäYeiL:.: :/i.X: : 3010481
PHN 9399 /^ 5.3.1980
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen optischer Fasern sowie nach diesem Verfahren hergestellte optische Fasern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen optischer Fasern, wobei eine Vorform in einem Ofen erhitzt und ein Ende der Vorform zum Schmelzen gebracht wird, eine Faser vom schmelzenden Ende der Vorform und aus dem Ofen gezogen wird, wobei die im Ofen befindlichen Teile der Vorform und der Faser mit einem Gas umspült werden, wonach die gezogene Faser abgekühlt und mit einer Lackschicht versehen wird, die daraufhin getrocknet wird und letzten Endes die auf diese ¥eise erhaltene Faser auf eine Haspel aufgewickelt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem Artikel »Preform Fabrication and Fiber Drawing by Western Electric Product Engineering Control Center" erschienen in der U.S.-Zeitschrift "The Bell System Technical Journal" Heft 57, Nr. 6, Juli-August 1978, Seiten 1735 bis einschliesslich 1744, bekannt.
Bei diesem bekannten Verfahren wird zum Erhitzen der Vorform ein Widerstandselement aus Graphit verwendet. Graphit ist durch die thermischen und mechanischen Eigenschäften, d.h. hohe thermische Schockfestigkeit und gute Stärke bei hohen Temperaturen, zu diesem Zweck durchaus geeignet;ausserdem ist Graphit relativ billig, in reiner Form verfügbar und leicht zu bearbeiten. Graphit weist jedoch den Nachteil auf, dass er bei den angewandten Temperaturen von etwa 20000C einer starken Oxydierung ausgesetzt ist. Es ist bekannt, dass die Ziehbedingungen die Stärke der gezogenen Faser beeinträchtigen können. Verschmutzung der Faser durch Staubteilchen, durch Niederschlag von Reaktionsprodukten aus dem Ofen, wie beispielsweise von Siliziumkarbid oder Quarzkristallteilchen führt zu einer Beschädigung und Schwächung der Faser. Verschmutzung der Faser durch Staubteilchen kann durch eine staubarme Umgebung vermieden werden. Die Bildung von Reaktions-
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produkten lässt sich dadurch einschränken, dass im Ofen eine Inertgasatmosphäre mit Überdruck beibehalten wird, wodurch Zutritt von Luft vermieden wird. Das Niederschlagen von Reaktionsprodukten auf der Faser kann dadurch möglichst eingeschränkt werden, dass die Faser mit einem Inertgasstrom umspült wird.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen das zu einer Qualitätsverbesserung und einer Erhöhung der Zugfestigkeit der hergestellten Faser führt.
Nach der Erfindung wird dies im wesentlichen dadurch erreicht, dass das die-Faser umspülende Gas aus dem Ofen an einem die Faser umgebenden Kondensationselement entlang hinausgeführt wird.
Das Kondensationselement wirkt dabei als kalte Stelle, wodurch gasförmige Reaktionserzeugnisse auf dem Kondensationselement niederschlagen, so dass die Faser selbst sauber gehalten wird.
Vergleichende Messungen haben gezeigt, dass mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Fasern eine grössere Zugfestigkeit aufweisen als Fasern, die mit den herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, welche Vorrichtung eine Halterung für eine Vorform, einen Ofen, eine Lackiervorrichtung, eine Trockenvorrichtung, eine Ziehvorrichtung und eine Wickelvorrichtung aufweist, wobei der Ofen mit einem Widerstandselement aus Graphit mit einer zentralen Heizkammer, einer Zufuhröffnung mit einer Abdichtung, einpr AbfuhrÖffnung und einem Zufuhrkanal für die Zufuhr eines Gases versehen ist; diese Vorrichtung weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass der Ofen mit einem rohrförmigen Kondensationselement versehen ist, das in der Abfuhröffnung angeordnet ist, wobei die Mittellinien des Kondensationselementes und der Heizkaramer zusammenfallen und wobei das eine Ende des Kondensationselementes bis in die Heizkammer ragt und das andere Ende aus dem Ofen herausragt. Das rohrförmige Kondensationselement hat ein heisses und ein verhältnismässig kühles
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PHN 9399 XS 5.3.1980
Ende mit einem starken Temperaturabfall in der axialen Richtung; durch die koaxiale Anordnung des Kondensationselementes gegenüber der Heizkammer und durch, dessen relativ grosse Länge wird die von der Vorform gezogene Faser über die praktisch, gesamte Abkühlungsstrecke von dem Kondensationselement umgeben und geschützt, welches Element eine Führung für den die gezogene Faser umspülenden Gasstrom bildet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass das Kondensationselement in einer zentralen Bohrung eines scheibenförmigen Trägers angeordnet ist, der mit einer Anzahl Ausströmungskanäle versehen ist und an die Abfuhröffnung des Ofens angeschlossen ist. Der Träger dient zur einwandfreien Ausrichtung des Kondensationselementes und zum teilweisen Abschluss der Abfuhröffnung. Das dem Zufuhrkanal zugeführte Inertgas strömt teilweise an der Abdichtung in dem Zufuhrkanal und an der Vorform entlang nach aussen, teilweise durch das Kondensationselement an der gezogenen Faser entlang und teilweise über die Ausströmungskanäle nach aussen; das Kondensationselement, die Abdichtung in dem Zufuhrkanal und die Ausströmungskanäle sind derart bemessen, dass im Ofen ein Überdruck beibehalten wird. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht das Kondensationselement aus Quarzglas. An dem Farbton des freien, aus dem Ofen herausragenden Endteil des lichtleitenden Quarzglaselementes kann die Temperatur sowie die richtige Lage des heissen Endes in der Heizkammer bestimmt werden.
Ausserdem hat sich gezeigt, dass mit einem Kondensationselement aus Quarzglas bereits eine zufriedenstellende Kondensation der Reaktionsprodukte erzielt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht das Kondensationselement aus Platin. Platin hat eine höhere Temperaturfestigkeit und eine viel höhere Wärmeleitzahl als Quarzglas und kann mit dem bis in die Heizkammer ragenden Ende näher an die Schmelzzone gebracht werden, wodurch eine stärkere
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PHN 9399 /ζ 5.3.1980
Kondensation der Reaktionsprodukte und gleichzeitig ein besserer Schutz der gezogenen Faser erhalten wird.
Nach dem Ziehen der Faser in dem Ofen und nach dem Abkühlen muss die Faser möglichst schnell vor Verschmutzung, Alterung und mechanischer Beschädigung geschützt werden. Dazu wird die Faser mit einer harten dünnen Lackschicht mit einer Stärke von beispielsweise 3 bis 5 ,um für eine Faser mit einem Durchmesser von 100 /Um versehen. Der Lack wird in einer Schicht viskoser schnell trocknender Lösung mit Hilfe einer Lackiervorrichtung aufgetragen, welche Vorrichtung einen Trichter aufweist mit einer Düsenöffnung, wobei die Faser wegen der Gefahr vor Beschädigung nicht mechanisch geführt und zentriert werden darf. Bisher wurde dazu ein Trichter mit einer kreisförmigen Düsenöffnung verwendet. Bei Verwendung einer derartigen Vorrichtung ist jedoch der zentrierende Effekt des Lackstromes auf der Faser äusserst gering. Die Faser neigt dazu mit einer derart starken Exzentrizität durch die Düsenöffnung zu laufen, dass die Lackschicht durch die Oberflächenspannung nicht mehr allmählich und konzentrisch über den Umfang der Faser verteilt werden kann. Dadurch entstehen Biegespannungen in der Faser beim Trocknen des Lackes, was zu "microbending" führt.
Eine gleichmässige und konzentrische Lackschicht
1W 25 wird bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten und zwar dadurch, dass die Düsenöffnung vieleckig ausgebildet ist. Durch die in den Ecken der Düsenöffnung auftretenden hydraulischen Drücke wird von dem Lack ein richtender zentrierender Effekt auf die Faser ausgeübt. Dadurch, dass der Lack in mehreren dickeren und dünneren gleichmässig über den Umfang der Faser verteilten Streifen aufgetragen wird, kann er sich unter dem Einfluss der Oberflächenspannung zu einer konzentrischen Schicht über den Umfang der Faser verteilen. Durch die gleichmässig verteilten Streifen wird eine verbesserte Schmierwirkung erhalten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung weist das Kennzeichen auf,
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PHN 9399 sO 5.3.198O
dass der Trichter mit einer Anzahl einstellbarer, die Düsenöffnung begrenzender Segmente versehen ist. Durch Einstellung der Segmente ist es auf einfache Weise möglich, die Düsenöffnung an den Durchmesser der Faser anzupassen und auf die gewünschte Lackstärke einzustellen und zwar derart, dass ein mechanischer Kontakt der Faser mit der Düsenwand vermieden wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Herstellen optischer Fasern,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den in Fig. 1 auf schematische ¥eise dargestellten Ofen,
Fig. 3 eine Darstellung in vergrössertem Masstab eines Einzelteils des in Fig. 2 dargestellten Ofens,
Fig. 4a, 5& und 6a einige Ausführungsformen der in Fig. 1 auf schematische Weise dargestellten Lackiervorrichtung in Untenansicht,
Fig. 4b, 5b und 6b einen Schnitt durch die jeweiligen Ausführungsformen der Lackiervorrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Herstellen optischer Fasern enthält eine Halterung 3 für eine Vorform P, einen Ofen 5 zum Ziehen einer Faser F, eine Messvorrichtung 7» eine Lackiervorrichtung 9» eine Trockenvorrichtung 11, eine Zugkraftmessvorrichtung 13 und eine Haspel 15· Die genannten Einzelteile und Vorrichtungen sind auf einem gemeinsamen Gestell 17 gelagert, wobei die Mittellinie des Ofens 5» der Messvorrichtung und der Lackiervorrichtung 9 fluchtend zu der Linie X-X zu liegen kommen. Die Halterung 3 wird auf an sich bekannte Weise durch ein Getriebe 19 über Führungen 21 verschoben. Die Haspel 15 wird durch einen Motor 25 angetrieben und dient zugleich als Ziehvorrichtung. Die Messvorrichtung 7 dient zur Messung und Überprüfung des Durchmessers der Faser F.
Fig. 2 zeigt in einem Längsschnitt den Ofen 5
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mit einem im wesentlichen rohrförmigen austauschbaren Heizelement 31 aus Graphit, das eine zentrale zylinderf örinige Heizkammer 33 enthält und zwischen zwei Gehäuseteile 35 und 37» die durch Schraubverbindungen 39 miteinander verbunden sind, befestigt ist. Das Heizelement 31 wird durch unmittelbaren Stromdurchgang erhitzt und steht dazu in Verbindung mit Klemmen 4i für den Anschluss an eine weiterhin nicht dargestellte Stromquelle. Der Gehäuseteil 35 ist mit einer Zufuhröffnung 43 zum Einführen einer Vorform P in die Heizkammer 33 versehen, in welcher Zufuhröffnung Dichtungswände 45 angeordnet sind. Der Gehäuseteil 37 ist mit einer Abfuhröffnung 47 und einem Zufuhrkanal 49 für die Zufuhr eines Inertgases, vorzugsweise Argon, versehen. Der Zufuhrkanal 49 mündet in eine ringförmige, das Heizelement 31 umgebende Gaskammer 51» auf deren Aussenumfang eine Filterisolierung 53 aus Zirkondioxid angeordnet ist. Die Gaskammer 51 ist über Gaskanäle 55 in dem Gehäuseteil mit der Zufuhröffnung 43 und über Gaskanäle 57 in dem Gehäuseteil 37 mit der Abfuhröffnung 47 verbunden. In der Abfuhröffnung 47 ist ein Kondensationselement 61 angeordnet, das in Fig. 3 in vergrössertem Masstab dargestellt ist. Das Kondensationselement 61 besteht aus einem Rohr 63, das aus einem hochschmelzenden reinen Werkstoff, wie Quarzglas oder Platin besteht und mittels einer Klemmschraube 65 in einer Bohrung 67 eines im wesentlichen scheibenförmigen Trägers 69 einstellbar befestigt ist. Der Träger 69 ist mit Löchern 71 zur Befestigung auf dem Gehätiseteil 37 durch Schraubverbindungen 73 versehen. Durch einen Zentrierflansch 75 auf dem Träger 69 und einen Zentrierrand 77 auf dem Gehäuseteil 37 wird der Träger 69 derart zentriert, dass die Mittellinie Z-Z des Rohres 63 mit der Mittellinie Y-Y der Heizkammer 33 zusammenfällt. Der Träger 69 ist auf dem Teil zwischen dem Zentrierflansch 75 und der Bohrung 6j mit einer Anzahl regelmässig über den Umfang verteilter Ausströmungskanäle 79 versehen. Das Rohr 63 hat einen Aussendurchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der Heizkainmer 33 und wird derart in axialer Richtung angeordnet, dass das eine Ende bis nahe an
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PHN 9399 /6| % 5.3.19Bu
die Schmelzzone in der Heizkammer 33 ragt und das andere Ende frei aus dem Ofen 5 herausragt. Die Gehäuseteile 35 und 37 sind auf an sich bekannte Weise mit nicht dargestellten Kühlkammern und Kühlkanälen versehen und vorzugsweise bestehen sie aus einem Werkstoff mit einem hohen spezifischen Wärmeleitvermögen, wie Kupfer oder Aluminium.
Zum Herstellen von Fasern wird eine Vorform P, die aus einem Quarzglasstab oder aus einem zusammengestellten Stab mit einem Kern und einem Quarzglasmantel besteht, derart in der Halterung 3 befestigt, dass die Mittellinie der Vorform P mit der Mittellinie X-X der Vorrichtung 1 zusammenfällt. Die Vorform wird derart in axialer Richtung ausgerichtet, dass das untere Ende in der Schmelzzone des Ofens 5 liegt. Durch Erhitzung im Ofen 5 fängt das untere Ende der Vorform unter gleichmässiger Bildung einer Faser zu schmelzen an, die durch die Messvorrichtung 7 hindurchgeführt, durch die Lackiervorrichtung 9 gefädelt, durch die Trockenvorrichtung 11 geführt, über die Zugfestigkeitmessvorrichtung geführt und letzten Endes auf der Haspel befestigt wird. Danach kann der Prozess kontinuierlich ablaufen, wobei die Vorform P von dem Getriebe 19 mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschoben wird, während die Faser F durch die Haspel 15 mit konstanter Geschwindigkeit abgezogen wird.
Verschmutzung der Faser F durch Niederschlag von im Ofen 5 gebildeten Reaktionserzeugnissen wird nach der Erfindung auf ein Minimum beschränkt und zwar durch das in den Fig. 2 und 3 dargestellte rohrförmige Kondensationselement 61, das als kalte Stelle und als Schmutzfangvorrichtung wirksam ist und die Reaktionserzeugnisse bindet um auf diese Weise Niederschlag von Reaktionserzeugnissen auf der Faser zu vermeiden. Über den Zufuhrkanal 49 wird Argon zugeführt, das durch die Filterisolierung 53 gefiltert und in die Gaskammer 51 geführt wird. Über die Kanäle 55 und 57 ist die Gaskammer mit der Zui'uhröffjtiung 43,^ der Ab fuhr öffnung 47 und der Heizkainmer 33 verbunden. Zutritt von Luft wird durch einen Gasstrom vermieden, der durch die Zufuhröffnung 43, an der Vorform P entlang und zwischen
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PHN 9399 $ ΊΟ 5·3· 1980
den Dich.tungswand.en 45 und der Vorform hindurch, nach aus sen strömt; ein anderer Teil des Gases strömt durch die Abfuhr-Öffnung 47 und durch die Ausströmungskanäle 79 nach aussen; ein weiterer Teil des Gases strömt durch das Rohr 63 hindurch, wobei mit dem Gasstrom mitgeführte Reaktionserzeugnisse sich am Innenumfang des Rohres absetzen. Im Inneren des Ofens wird ein nahezu gleichmässiger leichter Überdruck beibehalten.
Die in Fig. 1 auf schematische Weise dargestellte Lackiervorrichtung 9 ist in verschiedenen Ausführungsformen in Fig. 4a, 5a und 6a in Untenansicht und in Fig. 4b, 5b und 6i> im Schnitt dargestellt. In diesen Figuren sind entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben. Die drei Ausführungsformen weisen alle einen Trichter 81 auf, der als Lackbehälter wirksam und mit einer Düse 83 mit einem zentralen Ausströmungskanal 85 mit einem kreisförmigen Querschnitt versehen ist. Der Ausströmungskanal 85 schliesst sich an eine vieleckige Düsenöffnung an, die durch eine Anzahl Segmente begrenzt wird, die auf der Düse befestigt sind. Der Querschnitt der Düsenöffnung nimmt allmählich ab und endet in einem kurzen Teil konstanten Querschnitts, der die Stärke der auf einer Faser aufzutragenden Lackschicht bestimmt. Der Que-rschnitt des Ausströmungskanals 85 ist grosser als der des sich daran anschliessenden Teils der Düsenöffnung. Der Trichter 81 ist mit einem Pegelregler verbunden, der in Fig. 1 durch 87 bezeichnet ist.
"In der Ausführungsform nach Fig. 4a und 4b wird eine quadratische Düsenöffnung 89 durch vier Segmente 91 begrenzt.
Die Fig. 5a und 5t> zeigen eine dreieckige Düsenöffnung 93 mit drei Segmenten 95'
Die Ausführungsform nach Fig. 6a und 6b ist mit seelis Segmenten 97 versehen, die eine sechseckige Düsenöffnung 99 begrenzen.
Die Segmente werden derart eingestellt, dass der Inkreis an demjenigen Teil des Vielecks konstanten Querschnitts um etwa zehn Prozent grosser ist als der äussere
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Durchmesser der zu lackierenden Faser. Dadurch, wird vermieden, dass die Faser die Segmente berührt. Die Wirkungsweise und der Effekt der vieleckigen Düsenöffnung nach der Erfindung wurden bereits obenstehend erläutert. 5
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Claims (1)

  1. PHN 9399 λ/ 5.3.1980
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen optischer Fasern, wobei eine Vorform in einem Ofen erhitzt und ein Ende der Vorform zum Schmelzen gebracht wird, eine Faser vom schmelzenden Ende der Vorform und aus dem Ofen gezogen wird, wobei die im Ofen befindlichen Teile der Vorform und der Faser von einem Gas umspült werden, wonach die gezogene Faser abgekühlt und mit einer Lackschicht versehen wird, die daraufhin getrocknet wird und letzten Endes die auf diese Weise erhaltene Faser auf eine Haspel aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das die Faser umspülende Gas aus dem Ofen an einem die Faser umgebenden Kondensationselement entlang hinausgeführt wird.
    2. Optische Faser, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1.
    3, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Halterung für eine Vorform, einem Ofen, einer Lackiervorrichtung, einer Trockenvorrichtung, einer Ziehvorrichtung und einer Wickelvorrichtung, wobei der Ofen mit einem Widerstandselement aus Graphit mit einer zentralen Heizkammer, einer Zufuhröffnung mit einer Abdichtung, einer Abfuhröffnung und einem Zufuhrkanal zum Zuführen eines Gases versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der .Ofen mit einem rohrförmigen Kondensationselement versehen ist, das in der Abfuhröffnung angeordnet ist, wobei die Mittellinien des Kondensationselementes und der Heizkammer zusammenfallen und wobei das eine Ende des Kondensationselementes bis in die Heizkammer ragt und das andere Ende aus dem Ofen herausragt. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensationselement ..in einer zentralen Bohrung eines scheibenförmigen Trägers befestigt' ist"; der mit einer Anzahl Ausströmungskanäle versehen und an die Abfuhröffnung des Ofens angeschlossen ist.
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    PHN 9399 y( %J 5.3.1980
    5· Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensationselement aus Quarzglas besteht. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensationselement aus Platin besteht. 7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Lackiervorrichtung einen Trichter aufweist, der mit einer Düsenöffnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung vieleckig ausgebildet ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter mit einer Anzahl einstellbarer, die Düsenöffnung begrenzender Segmente ausgebildet ist.
    030047/0625
DE19803010481 1979-03-21 1980-03-19 Verfahren und vorrichtung zum herstellen optischer fasern sowie nach diesem verfahren hergestellte optische fasern Withdrawn DE3010481A1 (de)

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