DE3913907A1 - Verfahren zur herstellung von lichtwellenleitern mit vorstrecken einer roh-vorform vor aufschmelzen eines ueberwurfrohres - Google Patents

Verfahren zur herstellung von lichtwellenleitern mit vorstrecken einer roh-vorform vor aufschmelzen eines ueberwurfrohres

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist bekannt aus "Sixth European Conference on Optical Communication", Conference Publication No. 190, S. 6.
Der erste Schritt zum Herstellen einer stabförmigen Roh-Vorform ist dort das VAD-Verfahren (VAD = Vapor Axial Deposition), bei dem durch Abscheidung auf der Stirnfläche eines rotierenden Stabes und anschließendes Verglasen des abgeschiedenen Materials eine stabförmige glasige Roh-Vorform, dort "mother preform" genannt, hergestellt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Roh-Vorform gestreckt ("elongated"), in einem dritten Schritt werden Quarzrohre aufgeschmolzen, bevor das Ziehen zum Lichtwellenleiter erfolgt. Es ist nicht gesagt, in welchem Maße die Roh-Vorform gestreckt werden soll.
Aus "Conference Proceedings, Optical Communication Conference", Amsterdam, September 17-19, 1979, S. 3.1-1 bis 3.1-3, ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem eine Roh-Vorform mit 23 mm Durchmesser und 130 mm Länge auf einen Durchmesser von 10 mm gestreckt und anschließend in ein Quarzglasrohr mit 14 mm Innen- und 26 mm Außendurchmesser gesteckt wird. Es ist nicht entnehmbar, unter welchen Gesichtspunkten diese verschiedenen Maße ausgewählt oder einander angepaßt werden sollen.
Aus "Fourth European Conference on Optical Communication", Genova, September 12-15, 1978, S. 23 ff. ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Roh-Vorform durch Innenbeschichten eines Quarzglasrohres und anschließendes Kollabieren hergestellt wird, auf diese Roh-Vorform ein Überwurfrohr aufgeschmolzen und die so erhaltene Vorform zum Lichtwellenleiter ausgezogen wird. Es fehlt also der Verfahrensschritt des Streckens der Roh-Vorform. Es ist dort gesagt, daß ein Überwurfrohr mit einer solchen Wandstärke ausgewählt werden soll, daß aus der durch Aufschmelzen des Überwurfrohres entstehenden Vorform ein Lichtwellenleiter mit dem gewünschten Verhältnis zwischen Kerndurchmesser und Außendurchmesser gezogen werden kann.
Ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art ist auch in "Drahtwelt", 6-1987, S. 89-93, beschrieben, und auch dort wird die Lehre gegeben, das Kern-Mantel-Verhältnis der Roh-Vorform durch Auswahl eines Überwurfrohres mit der geeigneten Querschnittsfläche zu korrigieren.
Da in der Praxis einerseits die Kern-Mantel-Durchmesserverhältnisse der Roh-Vorformen und andererseits die Innen-Außen-Durchmesserverhältnisse der von den Rohrherstellern gelieferten Überwurfrohre stark streuen, würde sich, wenn man so vorgeht, ein beträchtlicher Teil der vom Überwurfrohr-Hersteller bezogenen Rohre als ungeeignet und damit als wertlos erweisen. Das Verfahren wäre also nicht wirtschaftlich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine wirtschaftlichere Lichtwellenleiter-Herstellung als die bekannten Verfahren gestattet. Auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll angegeben werden.
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 bzw. 6 angegeben gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird der an sich bekannte Verfahrensschritt des Streckens der Roh-Vorform dazu verwendet, Abweichungen des Kern-Mantel-Durchmesserverhältnisses im Hinblick auf das Innen-Außen-Durchmesserverhältnis des aufzuschmelzenden Überwurfrohres so zu korrigieren, daß eine Vorform entsteht, aus der Lichtwellenleiter mit den gewünschten Eigenschaften gezogen werden kann. Dies hat den Vorteil, daß auch Längsschwankungen der Durchmesserverhältnisse der Roh-Vorform oder des aufzuschmelzenden Überwurfrohres ausgeglichen werden können, was durch Auswahl eines geeigneten Überwurfrohres nicht möglich wäre, da es sehr unwahrscheinlich ist, daß ein zum Ausgleich einer bestimmten Längsschwankung der Durchmesserverhältnisse der Roh-Vorform geeignetes Überwurfrohr zufälligerweise zur Verfügung steht.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Roh-Vorform,
Fig. 2 ein auf die Roh-Vorform aufzuschmelzendes Überwurfrohr,
Fig. 3 den Vorgang des Streckens der Roh-Vorform, und
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des Streckens der Roh-Vorform.
Die Fig. 1 zeigt eine Roh-Vorform, die in an sich bekannter Weise aus einem Kern 10 und einem diesen umgebenden Mantel 11 besteht. Der Kerndurchmesser ist mit A bezeichnet, und der Außendurchmesser der Roh-Vorform mit D. Diese Roh-Vorform wird wie an sich bekannt so hergestellt, daß ihr Kern im Verhältnis zum Mantel im Hinblick auf die Durchmesserverhältnisse des gewünschten Lichtwellenleiters zu dick ist. Durch Aufschmelzen eines Überwurfrohres, dessen Material gleich dem des Mantels der Roh-Vorform ist, meistens SiO2, soll die Vorform des zu ziehenden Lichtwellenleiters mit dem geeigneten Durchmesserverhältnis zwischen Kern und Mantel hergestellt werden.
Die Fig. 2 zeigt ein solches Überwurfrohr, dessen Außendurchmesser mit D 1 und dessen Innendurchmesser mit D 2 bezeichnet ist. Da in der Praxis das Durchmesserverhältnis zwischen dem Kern 10 und dem Mantel 11 um den idealen Wert streuen und da auch die Überwurfrohre hinsichtlich der Innen- und Außendurchmesser gewisse Toleranzen haben, ist irgendeine Korrektur erforderlich, da ansonsten erfahrungsgemäß 20% der Roh-Vorformen nicht verwendbar wären.
Erfindungsgemäß erfolgt die Korrektur wie in Fig. 3 schematisch dargestellt. Eine Roh-Vorform der in Fig. 1 gezeigten Art ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Unterschied zwischen Kern und Mantel ist hier nicht gezeigt. Entlang der Roh-Vorform wird wie gezeigt ein Brenner 4 von rechts nach links mit einer Geschwindigkeit V B (Brennergeschwindigkeit) bewegt, während die Roh-Vorform mit Hilfe einer Drehbank um ihre Längsachse gedreht wird. Währenddessen werden die beiden Backenfutter der Drehbank, in die die beiden Enden der Roh-Vorform eingespannt sind, mit der Geschwindigkeit V A , Streckengeschwindigkeit genannt, auseinandergezogen. Dadurch wird die Roh-Vorform an der Stelle, an der sie durch den Brenner 4 erhitzt ist, in einer sogenannten Streckzone 2 in Längsrichtung gezogen und dadurch verdünnt.
In Fig. 3 ist der Zustand gezeigt, bei dem der Brenner sich vom rechten Ende ein Stück in Richtung zum linken Ende bewegt hat, während am rechten Ende in bezug auf das linke Ende gezogen wurde. Dadurch ist der in Bewegungsrichtung des Brenners hinter diesem liegende Teil 3 der Roh-Vorform dünner und länger geworden. Nachdem der Brenner auf diese Weise zum linken Ende der Roh-Vorform durchgelaufen ist, hat diese einen Durchmesser, wie er in dem bereits verdünnten Teil 3 gezeigt ist. Somit ist die Roh-Vorform in eine korrigierte Roh-Vorform übergegangen.
Im folgenden wird erläutert, in welchem Maße eine Roh-Vorform, auf die ein Überwurfrohr aufzuschmelzen ist, zuvor gestreckt wird.
Bei einem Einmoden-Lichtwellenleiter ist die Grenzwellenlänge g C bestimmt durch die bekannte Gleichung
(Review of the Electrical Communication Laboratories, Volume 26, Nos. 3-4, March/April, 1978, S. 468-475.) Hierin sind: 2a der Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters, n 1 und n 2 die Brechzahlen des Kerns bzw. des Mantels des Lichtwellenleiters.
Durch eine Roh-Vorform sind die Durchmesserverhältnisse des aus ihr herzustellenden Lichtwellenleiters noch nicht festgelegt, jedoch sind die Brechzahlen von Kern und Mantel des Lichtwellenleiters durch die Brechzahlen der Roh-Vorform unveränderbar festgelegt. Wie die Gleichung (1) zeigt, kann eine gewünschte Grenzwellenlänge λ C bei vorgegebenen Brechzahlen durch den Kerndurchmesser 2a des Lichtwellenleiters bestimmt werden. Dieser ist bekanntlich nicht bereits durch die Größenverhältnisse der Roh-Vorform festgelegt, sondern ergibt sich dadurch, daß aus der Roh-Vorform durch Aufschmelzen eines Überwurfrohres eine Vorform mit einem solchen Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis hergestellt wird, aus der sich ein Lichtwellenleiter mit dem gewünschten Durchmesserverhältnis ziehen läßt. Die hierbei relevanten Durchmesser des herzustellenden Lichtwellenleiters, der Roh-Vorform und des Überwurfrohres hängen gemäß der bekannten Gleichung
miteinander zusammen. Hierin sind:
d : der Außendurchmesser des herzustellenden Lichtwellenleiters,
2A : der Kerndurchmesser der Roh-Vorform,
D : der Außendurchmesser der Roh-Vorform und
D₁ und D₂: der Außen- bzw. Innendurchmesser des Überwurfrohres.
(Die bei (1) angegebene Literaturstelle enthält für (2) einen Fehler, nämlich -D 2 statt +D 2.)
Der Lichtwellenleiter-Außendurchmesser d ist durch Standardisierung meistens vorgeschrieben.
Die Erfindung sieht nun vor, daß der Außendurchmesser D der Roh-Vorform und damit auch ihr Kerndurchmesser 2A als variable Größen dieser Gleichung (2) so variiert werden, daß sie im Hinblick auf die gewünschten Durchmesser (2a und d) des herzustellenden Lichtwellenleiters zum Innen- und Außendurchmesser eines als Überwurfrohr zur Verfügung stehenden Rohres passen. Wie eingangs erwähnt, wird dieser gewünschte Zustand wegen Toleranzen bei der Roh-Vorform-Herstellung einerseits und Toleranzen bei der Überwurfrohr-Herstellung andererseits nicht schon durch deren Herstellung erreicht.
Der zur Korrektur durchgeführte Streckvorgang wird nun erfindungsgemäß nach der folgenden Gleichung gesteuert:
Hierin sind:
V A und V B die anhand von Fig. 3 eingeführte Streckgeschwindigkeit bzw. Brennergeschwindigkeit, A RV die Querschnittsfläche der Roh-Vorform,
A R die Querschnittsfläche des aufzuschmelzenden Überwurfrohres,
R RV das Verhältnis von Kern und Manteldurchmesser bei der Roh-Vorform und
R LW das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis bei dem herzustellenden Lichtwellenleiter.
V A und V B sind beide Relativgeschwindigkeiten, die auf das noch nicht gestreckte Ende der Roh-Vorform bezogen sind. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird das noch nicht gestreckte linke Ende nicht bewegt, so daß V A die Geschwindigkeit ist, mit der das andere Ende nach rechts gezogen wird, und V B die Geschwindigkeit ist, mit der der Brenner nach links bewegt wird.
Die Streckgeschwindigkeit V A wird also bestimmt durch die Brennergeschwindigkeit V B , die Querschnittsflächen der Roh-Vorform und des Überwurfrohres, das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis des gewünschten Lichtwellenleiters und das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis der Roh-Vorform. Es wird also das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis des gewünschten Lichtwellenleiters gemäß (1) aus der gewünschten Grenzwellenlänge und den in der Roh-Vorform vorhandenen Brechzahlen ausgerechnet, es werden die Querschnittsfläche der Roh-Vorform sowie ihr Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis erfaßt, und abhängig davon und von der Querschnittsfläche des als Überwurfrohr zur Verfügung stehenden Rohres wird gemäß (3) nach Wahl einer geeigneten Brennergeschwindigkeit V B die Streckgeschwindigkeit gesteuert.
Hierbei ist es auch möglich, eventuell in Längsrichtung vorhandene Schwankungen der genannten Parameter der Roh-Vorform oder des Überwurfrohres auszugleichen. In diesem Falle müssen diese Parameter als Funktion der Längskoordinate der Roh-Vorform und/oder des Überwurfrohres erfaßt werden, so daß sich auch die Streckgeschwindigkeit V A als Funktion dieser Längskoordinate ergibt. Meistens genügt ein Erfassen, z.B. des Kern-Mantel-Durchmesserverhältnisses der Roh-Vorform an mehreren ausgewählten Punkten entlang der Länge, z.B. an beiden Enden und in der Mitte.
Möglich ist auch eine kontinuierliche Erfassung der genannten Parameter als Funktion der Länge der Roh-Vorform, und das Berechnen einer ortsabhängig sich gemäß (3) daraus ergebenden Streckgeschwindigkeit. In diesem Falle würden die Durchmesserverhältnisse der Roh-Vorform im noch nicht gestreckten Teil möglichst nahe bei der Streckzone 2 durch eine simultan mit dem Brenner 4 bewegte Meßvorrichtung erfaßt werden, und eine Steuereinrichtung würde aufgrund dieser Meßwerte und anderer Daten, z.B. der vor Beginn des Streckvorgangs gemessenen Brechzahlen der Roh-Vorform, der gewünschten Grenzwellenlänge und der Durchmesserverhältnisse des aufzuschmelzenden Überwurfrohres, die Streckgeschwindigkeit gemäß der Gleichung (3) entsprechend steuern.
Anhand von Fig. 4 wird nun eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorstehenden beschriebenen Verfahrens erläutert. Im wesentlichen handelt es sich um eine an sich bekannte Glasdrehbank, wie sie üblicherweise zur Innenbeschichtung von Glasrohren für die Lichtwellenleiter-Vorform-Herstellung verwendet wird, mit einem linken Spindelstock 6 und einem rechten Spindelstock 7, in die das Rohr oder auch ein Stab an seinen beiden Enden eingespannt werden kann, damit er um seine Längsachse drehbar ist. Außerdem ist wie üblich ein an der Außenseite des Rohres oder Stabes entlang bewegbarer Brenner 4 vorhanden.
Damit ein in die Drehbank eingespannter Stab wie anhand von Fig. 3 beschrieben in Längsrichtung gestreckt werden kann, ist der rechte Spindelstock 7 auf einer Antriebsvorrichtung 9 befestigt, die ihn in Längsrichtung verschiebbar macht. Auch der Brenner 4 ist auf einer Antriebsvorrichtung 10 befestigt, die ihn in Längsrichtung verschiebbar macht.
Wie anhand von Fig. 3 beschrieben, wird eine Roh-Vorform 1 dadurch in Längsrichtung gestreckt, daß der Brenner 4 mit einer Geschwindigkeit V B nach links bewegt wird, während der rechte Spindelstock 7 mit einer Geschwindigkeit V A nach rechts bewegt wird. Zur Steuerung von V B und V A ist eine Steuerungseinrichtung 11 vorhanden, in die die vor dem Streckvorgang erfaßten Geometrie-Daten der Roh-Vorform, ihre Brechzahlen, die Geometrie-Daten des für die Roh-Vorform als Überwurfrohr vorgesehenen Rohres und die Daten des herzustellenden Lichtwellenleiters eingegeben werden.
Möglich ist es auch, die Geometrie-Daten der Roh-Vorform 1, wie in der Zeichnung angedeutet, erst während des Streckvorgangs durch eine synchron mit dem Brenner bewegte Meßvorrichtung 12 zu erfassen und in die Steuerung 11 einzugeben. In diesem Falle ist die Meßvorrichtung 12 so angeordnet, daß sie sich jeweils im gerade noch nicht gestreckten Teil der Roh-Vorform befindet.
Eine Regelung, derart, daß die Geometrie-Daten im bereits gestreckten Teil erfaßt, mit einem Sollwert verglichen und bei Abweichungen vom Sollwert die Steuerung korrigiert wird, ist auch möglich.
Selbstverständlich kann statt eines Brenners irgendeine andere Wärmequelle, z.B. ein Widerstandsofen, verwendet werden. Auch kann die Wärmequelle stationär angeordnet sein und die Roh-Vorform an ihr entlang bewegt werden.
Nach einem einmaligen Durchlauf des Brenners hat die Roh-Vorform bei der beschriebenen Steuerung der Streckung das gewünschte korrigierte Durchmesserverhältnis.
Es sei noch erwähnt, daß als "Roh-Vorformen" auch solche zu betrachten sind, auf die bereits ein Überwurfrohr aufgeschmolzen wurde und deren Durchmesserverhältnisse vor Aufschmelzen eines weiteren Überwurfrohres einer Korrektur bedürfen.
Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß auch mehrere Überwurfrohre gleichzeitig aufgeschmolzen werden können. In diesem Falle sind als "Durchmesser D 1 und D 2 des Überwurfrohres" der Außendurchmesser und der Innendurchmesser der Gesamtheit der auf eine Vorform aufzuschmelzenden Überwurfrohre zu verstehen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitern, bei dem in einem ersten Schritt eine stabförmige Roh-Vorform mit einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel, dessen Brechzahl niedriger ist als die des Kerns, hergestellt, in einem zweiten Schritt die Roh-Vorform gestreckt, in einem dritten Schritt mindestens ein Überwurfrohr aufgeschmolzen wird und in einem vierten Schritt die so erhaltene Vorform zum Lichtwellenleiter ausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Herstellung der Roh-Vorform der Kerndurchmesser, der Manteldurchmesser und die Brechzahlen von Kern und Mantel der Roh-Vorform gemessen werden,
daß die Streckung der Roh-Vorform in Abhängigkeit von diesen gemessenen Werten und den Durchmessern des aufzuschmelzenden Überwurfrohres oder der aufzuschmelzenden Überwurfrohre so gesteuert wird, daß der dritte Schritt eine für den gewünschten Lichtwellenleiter geeignete Vorform ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Durchmesser und Brechzahlen der Roh-Vorform als Funktion der Längskoordinaten gemessen werden und die Streckung der Roh-Vorform abhängig von der Längskoordinate entsprechend diesen Funktionen gesteuert wird, so daß in Längsrichtung der Roh-Vorform bestehende Schwankungen der genannten Durchmesser und Brechzahlen durch die Streckung ausgeglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der von der Längskoordinate abhängigen Streckung auch Längsschwankungen der Durchmesser des aufzuschmelzenden Überwurfrohres berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Streckung die Roh-Vorform durch eine in Längsrichtung relativ zu ihr von ihrem einen Ende zu ihrem anderen Ende bewegte Wärmequelle lokal erhitzt und gleichzeitig die auf den verschiedenen Seiten der Erhitzungszone befindlichen Teile der Roh-Vorform in Längsrichtung auseinandergezogen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgewählter Geschwindigkeit V B der Wärmequelle die Streckgeschwindigkeit V A gemäß abhängig von den gemessenen Durchmessern der Roh-Vorform, des Überwurfrohres und den gewünschten Durchmessern des herzustellenden Lichtwellenleiters gesteuert wird, wobei
A RV die Querschnittsfläche der Roh-Vorform,
A R die Wand-Querschnittsfläche des aufzuschmelzenden Überwurfrohres,
R RV das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis der Roh-Vorform und
R LW das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis des herzustellenden Lichtwellenleiters ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus einer Drehbank (5) mit einer entlang einem einzuspannenden Rohr oder Stab bewegbaren Wärmequelle (4) und einem relativ zum Reitstock (6) verschiebbaren Spindelstock (7), dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungseinrichtung (11) vorhanden ist, die bei vorgewählter Geschwindigkeit V A der Wärmequelle abhängig von den gemessenen Durchmessern der Roh-Vorform, des Überwurfrohres und den gewünschten Durchmessern des herzustellenden Lichtwellenleiters die Geschwindigkeit V A der Bewegung des Spindelstocks (7) weg vom Reitstock (6) gemäß steuert, wobei
A RV die Querschnittsfläche der Roh-Vorform,
A R die Wand-Querschnittsfläche des aufzuschmelzenden Überwurfrohres,
R RV das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis der Roh-Vorform und
R LW das Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis des herzustellenden Lichtwellenleiters ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung (12) vorhanden ist, die während der Streckung den Kern- und Mantel-Durchmesser im noch nicht gestreckten Teil (1) der Roh-Vorform als Funktion von deren Längskoordinate mißt und in die Steuerungseinrichtung (11) eingibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Durchmesser der Roh-Vorform und wahlweise auch ihre Brechzahlen als Funktion von der Längskoordinate der Roh-Vorform in die Steuerungseinrichtung (11) eingebbar sind und daß die Steuerungseinrichtung (11) diese Funktionen bei der Steuerung nach Anspruch 7 berücksichtigt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Längsschwankungen der Durchmesser des aufzuschmelzenden Überwurfrohres in die Steuerungseinrichtung (7) eingebbar sind und von dieser berücksichtigt werden.
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