DE4102342C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Dämpfung von Lichtleit­ fasern während des Herstellprozesses, bei dem die Licht­ leitfaser mindestens zwei Koppelvorrichtungen durchläuft und bei dem aus dem Vergleich der Signale von zwei Koppelvorrichtungen die Dämpfung ermittelt wird. Ein solches Verfahren ist aus DE-OS 29 32 637 bekannt.

Lichtleitfasern aus Polymeren werden bekanntlich aus der Produktschmelze oder aus einer vorgewärmten sogenannten Vorform gezogen.

Als Herstellungsmaterialien für den Faserkern seien bevorzugt transparente, thermoplastisch verarbeitbare amorphe Polymere genannt, insbesondere Polymethylmethacrylate oder Polycarbonate, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften US 30 28 365 und US 32 75 601 sowie der deutschen Offenlegungsschrift 38 32 396 beschrieben sind. Ebenso geeignet zur Herstellung von Lichtleitfasern sind duromere Polymere, z. B. auf Basis vernetzter oder teilvernetzter siliziumorganischer Polymere oder auf Basis vernetzter oder teilvernetzter Polymethacrylate.

Kunststofflichtleitfasern aus Polycarbonat sind aus der EP-A2-1 26 428 bekannt.

Aus "Optische Telekommunikationssysteme", W. Haist, Hrsg, Bd. I: Physik und Technik, Gelsenkirchen-Buer, 1989, Seite 182, ist die Herstellung von Lichtleitfasern aus Kunststoff durch Extrusion von Kernmaterial und Mantelmaterial über einen nachgeordneten Bikomponenten-Spinnkopf bekannt. Eine Messung der Dämpfung während des Herstellungsprozesses ist nicht angesprochen.

Die Bestimmung der Dämpfungs- und Streueigenschaften der Lichtleitfasern für Lichtwellen ist wesentlich zur Optimierung und Steuerung des Herstellungsprozesses.

Optical fibre communication, Technical staff of CSELT, eds., Mc Graw-Hill Book Co., New York 1981, Seiten 145, 174 bis 179, beschreibt die Messung der Lichtstreuung im Faserkern durch Sammeln der seitlich gestreuten Lichtleistung rund um die Faser. Diese Art der Messung ist langwierig, weil die Faser durch kleine Öffnungen in einen Detektor eingeführt und schrittweise in vorbe­ stimmten Längen bewegt werden muß.

Aus der GB 5 19 121 ist ein Verfahren zur kontinuier­ lichen Messung von Dämpfungseigenschaften von Lichtleit­ fasern während des Herstellungsprozesses bekannt, bei dem das Meßlicht in das Faserrohmaterial in eine Rich­ tung eingekoppelt wird, in die anschließend die Faser aus dem Faserrohmaterial gezogen wird.

DE-OS 35 37 342 beschreibt die Bestimmung der Strah­ lungsverluste von Monomodefaser-Verbindungen, wobei eine Glasfaser zur Einkoppelung einer Meßstrahlung vor der Verbindungsstelle und zur Auskoppelung hinter ihr jeweils mit vorgegebenen Krümmungsradien gebogen wird. Die Biegeauskoppelvorrichtung kann eine geteilte Hohlkugel sein. Für eine Messung während des Herstellungsprozesses ist diese Methode nicht brauchbar.

Insbesondere ist aus der eingangs erwähnten DE-OS 29 32 637 bekannt, die Dämpfungsänderung während eines Verarbeitungsschrittes, z. B. das Herstellen einer Kunststoffummantelung durch Extrusion, dadurch zu bestimmen, daß in das Ende der Faser Licht eingekoppelt wird, daß das Streulicht gemessen wird, das aus je einer vor und hinter der Verarbeitungsstelle angebrachten Koppelvorrichtung aus der Faser austritt und daß die Signale beider Koppelvorrichtungen verglichen werden. Eine derartige Vorrichtung ist für Messungen während des Herstellungsprozesses von Lichtleitfasern geeignet.

Ausgehend von dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bestand daher die Aufgabe, das Verfahren derart weiterzubilden, daß damit während der Herstellung von Lichtleitfasern durch Extrusion deren Dämpfung kontinuierlich und auf einfache Weise gemessen werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lichtleitfaser mittels eines Extruders hergestellt wird, daß das Meß­ licht durch ein druckfestes optisches Fenster in Richtung der Extrusionsdüse in das Faserrohmaterial eingekoppelt wird, und daß aus dem Signal mindestens einer Koppeleinrichtung die Streueigenschaften der Lichtleitfaser ermittelt werden.

Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens nach dem Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Dämpfung von Lichtleitfasern eignet sich sowohl für den Einsatz in Herstellungs­ prozessen, bei denen in einem Arbeitsgang die Faser gezogen und mit der Mantelschicht umhüllt wird, als auch für den Einsatz in einem reinen Faserziehprozeß ohne direkt daran anschließende Mantel-Beschichtung.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert während des Her­ stellungsprozesses von Lichtleitfasern on-line Meßdaten, die die Qualität des Produktes eindeutig charakteri­ sieren. Dadurch erst wird die Produktion von Lichtleit­ fasern hoher Qualität und Gleichmäßigkeit sicherge­ stellt. Eventuell auftretende Veränderungen in den dämpfungsrelevanten Kenndaten der Produkte oder in den qualitätsrelevanten Parametern der Produktionsanlage werden sofort erkannt. Dadurch ist eine verbesserte Steuerung und Optimierung des Produktionsprozesses möglich. Gleichzeitig erfolgt automatisch durch Anwen­ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine zer­ störungsfreie 100%-Produktionskontrolle der Licht­ leitfasern.

Überdies ist das erfindungsgemäße Verfahren der Licht­ einkopplung so effektiv, daß demgegenüber die ungewoll­ te Einkopplung von Licht aus der Umgebung in die Licht­ leitfaser weitgehend zu vernachlässigen ist, so daß der größte Teil der Produktionsanlage nicht lichtdicht ausgeführt sein muß. Daher ist weiterhin eine einfache Bedienbarkeit gewährleistet.

Das Verfahren ist unabhängig von Einzelheiten des Her­ stellungsverfahrens sowie unabhängig von den für Faser­ kern und Mantel eingesetzten Materialien und den mechanischen Abmessungen der Lichtleitfaser einsetzbar.

Die optischen Kenndaten, die bestimmt werden können, sind im wesentlichen

• - die spezifische Dämpfung, d. h. die auf einer vorge­ gebenen Länge der Faser auftretende gesamte Schwächung des durch den Faserkern hindurch trans­ portierten Lichtes;
• - das lokale Streuvermögen, das ist eine Kenngröße für das am Meßort aus der Faser seitlich austre­ tende Licht.

Als eine spezielle Anwendung der Messung des lokalen Streuvermögens der Lichtleitfaser sei die Erkennung, Klassifizierung und Zählung von lokalen Inhomogenitäten im Fasermaterial oder im Faseraufbau, von Verunreini­ gungen und ähnlichem genannt. Durch geeignete Anordnung von mehreren Koppelvorrichtungen entlang der Faser­ produktionsanlage und durch einen Vergleich der beob­ achteten zeitlichen Abfolgen der Meßsignale ist eine getrennte Erkennung von Störungen etc. im Bereich des Faserkerns bzw. im Bereich des Fasermantels möglich. Bevorzugt seien genannt die Anordnung je einer Koppelvorrichtung vor und hinter der Vor­ richtung zur Herstellung des Mantels. Zur Bestimmung der spezifischen Dämpfung sei bevorzugt eine Anordnung zweier Koppelvorrichtungen in einem Abstand von 5 cm bis 10 m, besonders bevorzugt von 0,5 m bis 2 m genannt.

Für den Abstand zwischen der Extrusionszone und der ersten der zur Messung der spezifischen Dämpfung ge­ nutzten Koppelvorrichtungen sei bevorzugt ein Abstand von 1 m bis 20 m genannt, besonders bevorzugt ein Abstand von 1 m bis 5 m.

Als Koppelvorrichtung ist jede Anordnung geeignet, die das aus einem begrenzten Teil der Faser seitlich austretende Licht ganz oder teilweise erfaßt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Bevorzugt seien eine Ulbrichtkugel mit einem Durchmesser von 5 mm bis 50 mm, besonders bevorzugt von 20 mm bis 50 mm genannt, an die ein photoelektrischer Empfänger, bevorzugt ein Photo­ multiplier oder ein Siliziumphotodetektor angekoppelt ist.

Als Koppelvorrichtung für die Detektion von Störun­ gen der Faser seien bevorzugt solche genannt, die nur das Streulicht aus einem sehr kurzen Teil der Faser erfassen. Besonders bevorzugt sei eine Vorrichtung ge­ nannt, bei der eine Serie von Lichtleitfasern, vorzugs­ weise zwischen 1 und 20 Fasern, in Form eines Kegel­ mantels mit einem Winkel zwischen 10° und 90° zur Faserachse, vorzugsweise zwischen 80° und 90°, um die zu untersuchende Lichtleitfaser gelegt sind und deren gegenseitige Enden zusammengefaßt und an einen Photo­ empfänger angekoppelt sind.

Als Lichtquelle ist jede im gewünschten Spektralbereich emittierende Quelle geeignet. Bevorzugt seien Laser­ lichtquellen genannt. Ebenfalls geeignet sind thermische Strahlungsquellen wie z. B. Wolframglühlampen oder Gas­ entladungslampen, bevorzugt in Kombination mit einer optischen Filtereinheit zur Einschränkung des emit­ tierten Spektralbereiches und in Kombination mit einer optischen Vorrichtung zur Fokussierung der emittierten Strahlung in Richtung der Extrusionszone innerhalb der Schmelze bzw. der Vorform des Faserkernmaterials.

Es wurde überraschend gefunden, daß die Messung ohne zu­ sätzlichen Aufwand durchführbar ist. Zur Empfindlich­ keitssteigerung lassen sich allerdings auch bekannte Verfahren wie die Lock-In-Technik verwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand einer Abbil­ dung und der Herstellung einer Lichtleitfaser aus Poly­ carbonat näher erläutert:

Das Faserkernmaterial wird in einem Verarbeitungsaggre­ gat 3, z. B. einem Polymerextruder aufgeschmolzen und durch eine Extrusionsdüse 4 gefördert. Durch Abzug aus der dabei entstehenden Material-"Zwiebel" wird der Faden 5 gesponnen, der den Kern der Lichtleitfaser bildet. Das Licht der Lichtquelle 1 wird durch ein druckfestes optisches Fenster 2 in die im Inneren des Verarbeitungs­ aggregates befindliche Materialschmelze eingekoppelt. Dabei wird die Lichtquelle so justiert, daß ein mög­ lichst großer Teil des Lichtes durch die Extrusionsdüse 4 hindurch in die Lichtleitfaser eintritt. Der Mantel 6 wird in der Vorrichtung 7 aufgebracht. Die Lichtleit­ faser wird nach einer Umlenkung 9 auf eine Trommel 12 aufgewickelt.

Die Koppelvorrichtungen 6 und 8 vor bzw. hinter der Vorrichtung zur Herstellung des Mantels liefern elektrische Meßsignale, die nach einer Verstärkung in den Verstärkern 13 zu einer Auswerteanordnung 14 geführt werden. In dieser Auswerte­ anordnung werden aus diesen Meßsignalen Kennwerte über Anzahl und Größe von Störungen in der Lichtleitfaser sowie über die Position innerhalb der Faser gewonnen. Die Kopplungsvorrichtungen 10 und 11 liefern, wiederum nach Signalverstärkung in den zugehörigen Verstärkern 13 und nach Analyse in der Auswerteanordnung 14, Kenn­ werte über die Gesamtdämpfung und über den Beitrag der Streuung in der Lichtleitfaser zur Gesamtdämpfung.

Das Verfahren wird bei der Produktion von polymeren Lichtleitfasern 5 aus Polycarbonat wie folgt durchgeführt:

Das als Granulat vorliegende Kernmaterial wird in einem Einwellenextruder 3 von 19 mm Durchmesser auf 280°C auf­ geschmolzen, durch eine Düse 4 von 2,5 mm Durchmesser extrudiert und auf den Solldurchmesser von 1 mm verzo­ gen. Über den Extruder ist ein HeNe-Laser 1 justierbar montiert. Der Lichteintrittsbereich 2 am Extruder 3 ist mit einer Klappe verschlossen, in die ein Quarzglasstab von 10 mm Durchmesser geklebt ist. Im montierten Zu­ stand reicht der Quarzstab gerade bis in den Bereich der Schmelze hinein. Der Quarzstab ist so justiert, daß seine Achse mit der der Extrusionsdüse identisch ist. Die Extrusionsdüse 4 wurde zu diesem Zweck im rechten Winkel zur Extruderwellenachse angeordnet.

Der extrudierte Polymerstrang 5 wird im Anschluß an eine Kühlzone durch eine erste Koppelvorrichtung 6 gezogen. Diese besteht aus einer teilbaren kreisförmigen Messingscheibe, in die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt 5 Bohrungen angebracht sind. In diesen Boh­ rungen sind 5 Lichtleitfasern von 1 mm Durchmesser fi­ xiert, deren andere Enden gemeinsam auf einen Silizium­ photodetektor geführt sind. Das elektrische Signal dieses Detektors wird verstärkt, entsprechend seiner Höhe diskriminiert und danach gezählt. Auf diese Weise wird die Anzahl der im Kern der Faser 5 vorhandenen Streupartikel etc. bestimmt.

Im Anschluß an diese erste Koppelvorrichtung 6 wird die Lichtleitfaser 5 durch eine Vorrichtung 7 zur Herstellung des Mantels geführt, in der sie mit einem polymeren Harz beschichtet wird, das anschließend mit einer UV-Lampe ausgehärtet wird. Danach wird die Lichtleitfaser durch eine mit der ersten Koppelvorrichtung 6 im Aufbau identischen Vor­ richtung 8 geführt. Mit Hilfe dieser Vorrichtung werden die im Kern 5 oder im Mantel vorhandenen Streupartikel etc. gezählt.

Hinter der zweiten Koppelvorrichtung 8 folgt eine Faserumlenkung 9 und eine geradlinige Faserführung von 1,5 m Länge bis zur Aufwickelvorrichtung 12. In diesem Bereich wird die Lichtleitfaser durch einen bis auf die Ein- und Austrittsöffnungen lichtdichten Kasten von 1,4 m Länge geführt. Jeweils 20 cm vom jeweiligen Ende des Kastens enthält dieser eine dritte bzw. vierte Koppelvorrichtung 10, 11 bestehend aus einer geteil­ ten Ulbrichtkugel von 2 cm Innendurchmesser. An die Ulbrichtkugeln ist seitlich jeweils ein Seitenfenster­ photomultiplier montiert. Zwischen Photomultiplier und der Innenseite der Ulbrichtkugel befindet sich eine verschiebbare Klappe zum lichtdichten Verschließen des Multipliers sowie eine Filterschublade mit einem op­ tischen Filter, das nur Licht von der Wellenlänge des benutzten HeNe-Lasers durchläßt. Die elektrischen Sig­ nale dieser beiden Photomultiplier werden verstärkt, analog/digital gewandelt und in einem Rechner 14 ausgewertet. Das Verhältnis der beiden Signale ergibt nach Multiplikation mit einem Faktor, der die unter­ schiedlichen Übertragungseigenschaften der beiden Meßkanäle berücksichtigt, direkt die spezifische Dämpfung des momentan in der Meßstrecke befindlichen Faserstücks. Der Absolutwert des Meßsignals der dritten Kopplungsvorrichtung 10, bezogen auf die Lichtleistung des Lasers und unter Berücksichtigung der Lichtein­ kopplungsverluste sowie der Dämpfung des Meßlichtes auf dem Wege von der Lichteinkopplung bis zur dritten Kop­ pelvorrichtung 10, ergibt ein Maß für das Streuvermögen der Faser 5.

Claims (5)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Dämpfung von Lichtleitfasern während des Herstellungspro­ zesses, bei dem die Lichtleitfaser mindestens zwei Koppelvorrichtungen durchläuft und bei dem aus dem Vergleich der Signale von zwei Koppelvorrichtungen die Dämpfung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (5) mittels eines Extruders (3) hergestellt wird, daß das Meßlicht durch ein druckfestes optisches Fenster (2) in Richtung der Extrusionsdüse (4) in das Faserrohmaterial einge­ koppelt wird, und daß aus dem Signal mindestens einer Koppeleinrichtung die Streueigenschaften der Lichtleitfaser ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrusionsdüse (4) des Extruders (3) im rechten Winkel zur Extruderwellenachse angeordnet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßlicht mittels eines Quarzglasstabes eingekoppelt wird, der bis in den Bereich der Schmelze des Faserrohmaterials geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Faserrohmaterial ein Polycarbonat ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtsignal zur Empfind­ lichkeitssteigerung nach an sich bekannten Verfah­ ren moduliert und frequenzselektiv detektiert wird.