DE3035070A1 - Verfahren zum herstellen eines glasfaser-lichtwellenleiters mit verschiedenen durchmessern und verfahren zur herstellung eines verteilerelements oder mischers fuer optische kommunikationssysteme - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen eines Glasfaser-Lichtwellen-
• leiters mit verschiedenen Durchmessern und Verfahren zur Herstellung eines Verteilerelements oder Mischers für optische Kommunikationasysteme Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Glasfaser-Lichtwellenleiters mit verschiedenen Durchmessern sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verteilerelements oder Mischers für optische Kommunikationssysteme unter Verwendung eines erstgenannten Verfahrens.
• In optischen Kommunikationssystemen werden Verteilerelemente oder Mischer benötigt, die das in einem niedrigdämpfenden Glasfaser-Lichtwellenleiter geführte optische Signal teilweise abzweigen bzw. auf mehrere Fasern verteilen.
• Ein Verfahren zur Herstellung von Verteilerelementen oder Mischern ist bereits in Appl. Fhysics Letters 28 (1976) Seite 528 von T. Oziki und B, S. Kawasaki vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren werden Multimode-Glasfasern über eine Strecke von einigen Zentimetern bis zum Erweichungspunkt des Glases erhitzt und gleichzeitig gestreckt. Dadurch entsteht eine streckenweise Verengung in der Faser, in der sowohl ihr Kern als auch ihr Mantel einen geringeren Durchmesser aufweisen als außerhalb. In der Verengung wird ein Teil der im Faserkern geführten hohen Moden in Strahlungsmoden umgewandelt und bildet auf diese Weise eine Koppelstrecke. Ein Verteilerelement wird so hergestellt, daß die Koppelstrecken zweier solcher Fasern mit einem transparenten Kleber, dessen Brechungsindex größer als der Brechungsindex des Fasermantels ist, verklebt werden. Dadurch werden die in einer Koppel strecke einer Faser abgestrahlten Moden zunächst im Kleber geführt und anschließend in dem sich wieder zum normalen Durchmesser der Faser verdickenden Bereich einer Koppelstrecke wieder in einen Faserkern eingekoppelt.
• Auf ähnliche Weise lassen sich durch Verkleben der Koppelstrecken mehrerer Fasern Mischer herstellen.
• In der Praxis sind Verteilerelemente erforderlich, mit denen ein gewünschtes Koppelverhältnis mit hoher Genauigkeit bei möglichst geringen Lichtverlusten erzielt wird.
• Ein besonders schwieriges Herstellungsproblem bei den oben beschriebenen Verteilerelementen ist die Reproduzierbarkeit der Verengungsstelle und damit der Koppelstrecke, und die Qualität der Grenzfläche Kleber/Glasfaser. Eine effektive Umwandlung der Strahlungsmoden in geführte Moden durch den transparenten Kleber ist nur dann möglich, wenn die Faseroberfläche frei von Staub- und Schmutzteilchen ist, da andernfalls ein Großteil des im Kleber geführten Lichts durch Streuung verlorengeht. Auch Luftbläschen an der Grenzfläche Kleber/Glasfaser haben hohe Streuverluste zur Folge.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines Glasfaserlichtwellenleiters mit verschiedenen Durchmessern anzugeben, bei dem die verschiedenen Durchmesser und die Ubergänge zwischen den verschiedenen Durchmessern sehr genau reproduzierbar sind und eine hervorragende optische Oberflächenqualität der Faser erhalten werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 5 hervor.
• Mit einem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich besonders einfach und wirtschaftlich Verteilerelemente oder Mischer für optische Kommunikationssysteme so herstellen, wie es im Anspruch 6 angegeben ist. Es können durch dieses Verfahren eine Vielzahl von Verteiler- oder Mischerelementen in einem einzigen Faserziehvorgang hergestellt werden.
• Dabei ist die Gefahr einer Verschmutzung von Faseroberflächen oder deren Einfluß auf das Koppelverhalten äußerst gering.
• Die Gefahr einer Faserverschmutzung kann zudem noch dadurch erheblich verringert werden, daß die Maßnahmen des Anspruchs 7 ergriffen werden.
• Ausführungsb.eispiele der Erfindung werden anhand der, Figuren in der nun folgenden Beschreibung näher erläutert.
• Von den Figuren zeigen: Figur 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Ziehanlage zur Herstellung von Glasfaser-Lichtwellenleitern aus Glasstäben, die zur Herstellung von Koppelstrecken geeignet ist, Figur 2 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Ziehanlage zur Herstellung eines Bündels von Glasfaser-Lichtwellenleitern aus einem Doppeltiegel, die zur Herstellung von Verteiler-und Mischerelementen geeignet ist.
• In die in Figur 1 dargestellte Faserziehanlage wird in eine Halterung 1 ein Lichtleitstab 2 eingespannt und in bekannter Weine zu einer Faser 3 ausgezogen. Die Herstellung des Lichtleitstabs kann beispielsweise nach der CVD-Technik (Methode der chemischen Dampfabscheidung) oder auch nach dem Doppeltiegelverfahren erfolgen o Der eingespannte Lichtleitstab wird am unteren Ende soweit erhitzt, daß das Glas schmilzt und aus dem geschmolzenen Glas wird die Faser gezogen. Als Heizquelle dient in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ein Induktionsofen 4 mit Kohlesuszeptor 41, mit dem sich eine scharf begrenzte und genau definierte Heizzone einstellen läßt. Der ringförmige Kohlesuszeptor 41, in dessen Öffnung das untere Ende des Lichtleitstabs 2 eingeführt ist, ist außen von einer Wärmeisolierung 43 umgeben und diese wiederum von einer Hochfrequenzspule 43.
• Der Wärmeisolierung ist eine Quarzglas-Glocke 44 aufgesetzt , die eine Öffnung aufweist, durch die der Lichtleitstab 2 geführt ist. Außerdem befindet sich der Suszeptor 41 mit der Isolierung 42 noch in einem Quarzglasrohr 45, das stirnseitig bis auf kleine zentrale Öffnungen, durch die der Lichtleitstab bzw. die Faser hindurchpassen, abgeschlossen, ist. Der untere Abschluß des Quarzglasrohres ist durch eine Wasserkühlung 46 gebildetSurch des Innere des Quarzglasrohres 45 kann über Leitungen 47 und 48 Schutzgas geleitet werden Zum Nachführen des Lichtleitstabs 2 ist ein Vorschubmechanismus 5 vorgesehen, der den während des Faserziehvorgangs langsam sich verkürzenden Lichtleitstab 2 so nachführt, daß dessen unteres Ende stets an der gleichen Stelle. bleibt.
• Die gezogene Faser 3 durchläuft die Wasserkühlung 46, ein Faserdickenmeßgerät 6, eine Beschichtungsvorrichtung 7, einen Trockenofen 8 und wird dann auf eine Ziehtrommel 9 aufgewickelt.
• Uber die Rotationsgeschwindigkeit der Ziehtrommel läßt sich die Abzugsgeschwindigkeit sehr genau einstellen.
• Zur Herstellung einer Faser 3 mit Koppel strecken, also mit Verengungen, wird zunächst die Faser mit konstanter Abzugsgeschwindigkeit v nach unten abgezogen und unmittelbar nach Verlassen der Heizzone in der Beschichtungsküvette 7 mit einem hochtransparenten Kunststoff beschichtet, der beim Durchlaufen des Trockenofens 8 härtet. Es wird dabei ein Kunststoff gewählt, dessen Brechungsindex größer als der des Fasermantels ist und die Dicke der Kunststoffschicht beträgt einige Mikrometer. Für Fasern mit Quarzglasmantel eignen sich als Beschichtung beispielsweise hochtransparente Polymethylacrylate, beispielsweise Acrylglas.
• Zur Erzeugung von Koppelstrecken wird die Abzugsgeschwindigkeit v der Ziehtrommel 9 kurzzeitig und in periodischen Abständen um einen Betrag dv erhöht und dadurch die gewünschte Verengung des Faserdurchmessers d um einen Betrag led erreicht. Die Länge 1 der so erzeugten Koppel strecke und die Änderung des Faserdurchmessers Ad werden durch die Parameter v, jv und die Dauer dt der Geschwindigkeitsänderung dv bestimmt.
• Anstelle einer Ziehtrommel 9 kann auch ein Rollenabzugsmechanismus-verwendet werden, dessen geringere Masse eine schnellere Änderung der Abzugsgeschwindigkeit erlaubt.
• Die Geschwindigkeitsänderung Av wird elektronisch gesteuert, so daß bei kontinuierlichem Ziehprozeß in periodischen Abständen Koppelstrecken geschaffen werden können. Die so erzeugte Faser wird dann in Faserabschnitte zerteilt, von denen jeder mindestens eine Koppelstrecke enthält. Zur Herstellung eines Verteilerelements oder Mischers werden zwei oder mehrere solcher Faserabschnitte in paralleler Ausrichtung und in engem Kontakt miteinander verklebt. Als Kleber kann das gleiche Material verwendet werden, das auch zum Beschichten der Faser gedient hat. Durch ein solches Vorgehen werden die eingangs erwähnten Probleme, die an der Grenzfläche Kleber/Glasfaser auftreten können, vermieden, da die Grenzfläche bereits beim Beschichten erzeugt worden ist und beim Verkleben keine derartigen Grenzflächenprobleme mehr auftreten können.
• Da die Abzugsgeschwindigkeit v sehr genau einstellbar ist, lassen sich auch die Geschwindigkeitsänderung jv und damit auch die Änderungfld des Faserdurchmessers d sehr genau einstellen, wodurch ein gewünschtes Koppelverhältnis mit hoher Genauigkeit einstellbar ist und die Verjüngungen sehr genau reproduzierbar sind.
• Eine Änderung des Faserdurchmessers läßt sich auch durch Ändern der Temperatur im geschmolzenen Glas erzeugen, und zwar anstelle einer oder zusätzlich zu einer Geschwindigkeitsänderung. Dabei wird zur Herstellung mehrerer Koppelstrecken zweckmäßigerweise so wie vorher die Abzugsgeschwindigkeit die Temperatur periodisch geändert. Bei der in Figur 1 dargestellten Anlage, bei welcher der Suszeptorraum mit einem Argongasstrom, der über die Leitungen 47, 48 zu- und abgeführt wird, gespült wird, um eine Oxidation des etwa 20000 C heißen Graphitsuszeptors zu vermeiden, kann eine Temperaturänderung^durch Änderung des Argondurchsatzes erzielt werden. Bereits eine geringfügige Reduzierung des Argondurchsatzes hat eine sofortige Abnahme des Faserdurchmessers zur Folge, weil durch diese Reduzierung die Temperatur im geschmolzenen Glas am unteren Ende des Lichtleitstabs 2, der sog. Ziehzwiebel, ansteigt und die Viskosität des Glases dadurch verringert wird. Der Gasdurchsatz kann beispielsweise über einen elektrisch gesteuerten Gasdurchflußmesser variiert werden. Es reicht aus, wenn die Temperatur des geschmolzenen Glases nur an der Spitze der Ziehzwiebel, also im Ubergangsbereich zur Faser ansteigt oder sich ändert.
• In der Figur 2 ist eine Ziehanlage dargestellt, die zur Herstellung eines Verteiler- oder Mischerelements für optische Kommunikationssysteme unter Verwendung eines vorgeschlagenen Verfahrens geeignet ist. Eine derartige Anlage ist beispielsweise aus der DE-OS 2 734 152 bekanntgeworden. Bei dieser Ziehanlage werden mehrere Fasern gleichzeitig aus einem Doppeltiegel 10 gezogen. Der, Doppeltiegel 10 weist einen Außentiegel 11 und einen in diesem konzentrisch und beabstandet angeordneten Innentiegel 12 auf. Der Snnentiegel 12-weist in seinem Boden mehrere- Ziehdüsen 120 auf, die genau über Ziehdüsen 110 im Boden des Außentiegels 11 angeordnet sind.
• Der Innentiege 12 enthält eine Kernglasschmelze und der Außentiegel eine Mantelglasschmelze.
• Von jeder Düse 110 des Außentiegels 11, der wie der Innentiegel aus einer Platin-Rhodium-Legierung besteht, wird bekannterweise eine Kern-Mantel-Glasfaser 30 abgezogen.
• Nähere Einzelheiten über die Beheizung des Doppeltiegeis, über Spül- oder Schutzgaszuführung und Kühlung lassen sich aus der genannten DE-OS 2 734 152 entnehmen. Dort ist auch ausgeführt, daß die mehreren Fasern 30, die gleichzeitig von dem Doppeltiegel 10 abgezogen werden, zusammengeführt einer Beschichtungsvorrichtung 70 zugeführt werden, in der das Faserbündel mit einem Kunststoff beschichtet wird.
• Das aus der Beschichtungsvorrichtung 70 austretende, beschichtete Faserbündel 31 durchläuft einen Trockenofen 8Q zum Aushärten der Kunststoffbeschichtung und wird auf eine Ziehtrommel 90 aufgewickelt.
• Mit einer Vorrichtung nach Figur 2 können nun ein oder mehrere Verteiler- oder Mischerelemente einfach dadurch hergestellt werden, daß in den gleichzeitig abgezogenen mehreren Glasfasern 31 durch Erhöhen der zunächst konstanten Abzugsgeschwindigkeit um eine Geschwindigkeitsänderung b v gleichzeitig Verengungen in sämtlichen Fasern 31 erzeugt werden und daß die zu einem Bündel zusammengeführten Fasern durch relatives Ver-,drehen des Doppeltiegels 10 und der Ziehtrommel 90 verdrillt werden. Durch das Verdrillen entsteht ein enger Kontakt zwischen den Koppel strecken der einzelnen Fasern.
• Durch Zerteilen des verdrillten Faserbündels lassen sich einzelne Verteiler- oder Mischerelemente herstellen.
• Ähnlich wie bei der Einzelfaser ist es auch bei dem verdrillten Bündel zweckmäßig, dieses mit einer Kunststoffschicht zu umgeben, weil dadurch einer Verschmutzung des Bündels und damit einer Beeinträchtigung der Koppelwirkung entgegengetreten werden kann. Durch das Verdrillen entsteht ein sehr guter Kontakt der Koppelstrecken, so daß sich ein Verkleben der Einzelfasern im Bereich von Koppelstrecken erübrigt. Dennoch kann es vorteilhaft sein, wenn eine transparente Kunststoffbeschichtung sämtliche Fasern des Bündels in einer Koppelstrecke vollständig umgibt und die Einzelfasern miteinander verklebt. Jedenfalls ist dies dann erforderlich, wenn auf ein Verdrillen des Bündels verzichtet wird.
• Letzteres ist aber gegenüber einem Verdrillen nachteilig.
• Die Düsenöffnung der Beschichtungsvorrichtung 70 ist so zu wahlen, daß die Einzelfasern des durchgeführten Bündels in möglichst dichter Packung in Kunststoff eingebettet sind.
• Wie bei der Einzelfaser können auch hier die Koppel- strecken alternativ oder zusätzlich zu Geschwindigkeitsänderungen durch Temperaturänderungen, insbesondere periodische Temperaturänderungen, erzeugt werden. Dies kann auch hier wieder durch änderung eines Spül- oder Inertgasstromes erreicht werden. Wichtig ist nur, daß der Gasstrom das unmittelbar aus einer Ziehdüse,abgezogene und in die Faser übergehende, geschmolzene Glas erreicht.
• Zum besseren Ein- bzw. Auskoppeln der optischen Signale können die Faserenden zu beiden Seiten einer Koppelstrecke durch Ablösen des Beschichtungsmaterials wieder frei beweglich gemacht werden.
• Die vorstehend beschriebenen Verfahren sind zur Erzeugung von Verengungen in Fasern von einem Durchmesser von 125 /um verwendet worden. Sie sind aber keineswegs auf diesen Durchmesser beschränkt, sondern können für beliebige Durchmesser angewandt werden. Eine untere Grenze für den Durchmesser einer Verengung ist durch das Abreißen der Faser gegeben und ist daher leicht feststellbar.
• 7 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (7)

1. Patentanstrüche: 1; Verfahren zum Herstellen eines Glasfaser-Lichtwellenleiters mit verschiedenen Durchmessern, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die verschiedenen Durchmesser während eines Faserziehvorganges, während welchem die Glasfaser aus geschmolzenem Glas gezogen wird, durch Ändern der Abzusgeschwindigkeit und/oder durch Ändern der Temperatur im geschmolzenen Glas erzeugt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Abzugsgeschwindigkeit und/ oder die Temperatur periodisch geändert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatur des geschmolzenen Glases im Ubergangsbereich zur Faser geändert wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatur durch gesteuertes Zuführten eines Gasstromes zum geschmolzenen Glas geändert wird.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Glasfaser während des Ziehvorganges mit einem Kunststoff beschichtet wird, der einen größeren Brechungsindex aufweist als das angrenzende Glas der Faser.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Verteiler- oder Mischerelementes für optische gommunikationssysteme unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß zwei oder mehrere Glasfasern gleichzeitig abgezogen und in ihnen gleichzeitig Verengungen erzeugt werden und daß während des Ziehvorganges die Fasern zu einem Bündel zusammengeführt und verdrillt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das verdrillte Faserbündel mit einem Kunststoff beschichtet wird.