DE60023949T2

DE60023949T2 - Verfahren zum herstellen einer vorform mit schutzumhüllung für optische fasern

Info

Publication number: DE60023949T2
Application number: DE60023949T
Authority: DE
Inventors: C. Dana BOOKBINDER; S. Gregory GLAESEMANN
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-05-13
Also published as: DE60023949D1; EP1280739B1; EP1280739A1; JP2003533426A; JP5053498B2; WO2001087786A1; AU2000250030A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und zum Schützen eines Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstandes, der bei der Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schützen des Gegenstandes gegen bruchinduzierende Teilchen während des Transports des Gegenstandes zwischen den Produktionsvorgängen oder zwischen den Fabriken.
Beschreibung des dazugehörigen Fachgebietes
Ein Lichtwellenleiter wird gewöhnlich durch Ziehen des Lichtwellenleiters aus einer auf hohe Temperatur erwärmten Faservorform hergestellt. Die Faservorform kann durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. Ein solches Verfahren, das als Außenbedampfungsverfahren bekannt ist, erfolgt durch Aufbringen eines Siliziumdioxid enthaltenden Rußes auf einen Aluminiumoxid-Köderstab, so dass man ein Kernprofil erhält, Verdichten des Kernprofils, so dass man einen verdichteten Glaskernformling erhält und Ausziehen des Kernrohlings auf einen kleineren Durchmesser, so dass eine Glaskernfaser erhalten wird. Die Kernfaser wird dann mit Ruß beschichtet (überzogen), das verdichtet wird, so dass eine Faservorform erzeugt wird. Andere Verfahren, wie die modifizierte Bedampfung (MCVD) oder plasmaaktivierte Bedampfung (PCVD), die bekanntlich als Innenbedampfungsverfahren bekannt sind, werden durchgeführt, indem Siliziumdioxid auf die Innenseite eines festen Glasröhrchens abgeschieden wird. Das feste Glasröhrchen mit dem Überzug lässt man dann zusammenfallen, so dass ein Glaskernformling erzeugt wird. Der Siliziumdioxid enthaltende Ruß wird zur Außenseite des Kernformlings gefügt und zu einer Faservorform verdichtet. Aus der Vorform wird der Lichtwellenleiter ausgezogen. Alternativ lässt man das feste Glasröhrchen mit dem Überzug zusammenfallen, so dass direkt eine Faservorform erhalten wird. Ein weiteres Verfahren, das zur Herstellung einer Vorform zum Ausziehen von Lichtwellenleitern verwendet wird, ist das Bedampfungsverfahren in Axialrichtung (VAD). Die vorliegende Erfindung lässt sich mindestens in sämtlichen dieser Bedampfungstechniken verwenden.
Der Begriff "Faservorform" oder "verdichtete Vorform", wie er hier verwendet wird, soll für einen Gegenstand stehen, aus dem eine Faser gezogen werden kann, ohne dass man mehr Siliziumdioxid enthaltendes Glas zufügen muss. "Kernformling" und "Kernfaser" sollen für Gegenstände stehen, die zumindest einen Teil der Eigenschaften (aber nicht nötigerweise alle) des Wellenleiterkerns der resultierenden Faser umfassen. Eine "Kernfaser" wird aus einem verdichteten Kernformling zu einem Zwischenprodukt mit kleinerem Durchmesser gezogen. Bei einigen Herstellungsvorgängen kann eine Kernfaser hergestellt werden, wonach zusätzliches Kern- und/oder Überzugglasmaterial zu der Kernfaser gegeben werden kann, so dass man eine verdichtete Vorform erhält.
Beim Ausziehen eines Lichtwellenleiters aus einer Lichtwellenleitervorform bricht oft der Lichtwellenleiter. Die Reduktion von Brüchen beim Ausziehen des Lichtwellenleiters ist ein eindeutiges Ziel in der Industrie, insbesondere da Kunden mittlerweile mehr als 50 Kilometer lange Lichtwellenleiter benötigen.
Faserbrüche werden vermutlich zumindest teilweise durch anorganische Fremdpartikel (beispielsweise ZrO₂) verursacht, die sich auf den Glasoberflächen der verschiedenen Gegenstände, wie der Faservorform, des Kernformlings, der Kernfaser, und/oder des Glasröhrchens, die als Zwischenprodukte bei dem Verfahren zur Herstellung des Lichtwellenleiter-Endprodukts hergestellt werden, niederschlagen. Diese Glasoberflächen sind reaktiv und können irreversible Bindungen mit den anorganischen Partikeln eingehen. Wie in 2 schematisch gezeigt, binden die anorganischen Partikel 20 an aktive Stellen, wie OH-Gruppen, auf einer Glasoberfläche 10 und werden ein Teil der Glasoberfläche 10. Daher können die Partikel nicht leicht während der Standard-Reinigung vor dem Faserausziehen entfernt werden. Diese Partikel verursachen ein strukturelles Versagen beim Ausziehen der Faser. Anorganische Partikel auf der Glasoberfläche der Faservorform, des Kernformlings, der Kernfaser oder des Glasröhrchens sind wahrscheinlich der Hauptgrund für externe Faserbrüche, die während des Ziehverfahrens auftreten. Anorganische Partikel auf den Glasoberflächen des Kernformlings, der Kernfaser und des Glasröhrchens verursachen wahrscheinlich manchmal interne Faserbrüche.
Die anorganischen Partikel sind in der Umgebung der Herstellungsanlage zugegen. Sie fallen nicht nur ungerichtet auf die Glasoberflächen der Zwischenprodukte, die Partikel können auch von den Glasoberflächen durch statische Aufladung angezogen werden.
Ironischerweise entwickelt sich eine statische Aufladung oft beim Reinigen der Glasoberflächen.
Partikel können von den Glasoberflächen der Zwischenprodukte entfernt werden, indem man Flusssäure als Reinigungsmittel verwendet. Flusssäure ändert jedoch die Abmessungen des Zwischenproduktes, da es die Glasoberfläche ätzt. Der Einsatz der Flusssäure ist auch teuer, da sie toxisch ist. Somit ist die Flusssäure-Reinigung keine wünschenswerte Technik zur Reduktion von Faserbrüchen.
Man kann die Faserbrüche reduzieren, indem man die Herstellung in einem Reinraum durchführt, so dass es nahezu keine Partikel gibt, die sich auf den Glasoberflächen der Zwischenprodukte niederschlagen. Dies wäre jedoch nicht rentabel.
WO-A-00/30987 offenbart ein Verfahren zum Schützen eines Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstandes mit einer Schutzschicht, die die Entfernung von Partikeln erleichtert, die sich auf der Schutzschicht niederschlagen und die während der anschließenden Verarbeitung des Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstandes abdampft oder vorher entfernt werden kann. Die in EP-A-1050516 offenbarte Beschichtung wird geschmolzen, wenn der beschichtete Gegenstand in eine Heißzone kommt und feuerfeste Partikel aufnimmt. Das Beschichtungsmaterial und die aufgenommenen Partikel lösen sich in dem Siliziumdioxidglas bei einer niedrigen Oberflächenkonzentration. Eine Schutzschicht für eine Lichtwellenleiter-Vorform ist ebenfalls in dem Japanischen Patent JP-A-02-258643 offenbart. Hier hat die Schicht 10 bis 200 μm Dicke und wird unmittelbar vor der weiteren Verwendung der Vorform abgezogen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst, wie in den Ausführungsformen und ausführlich hier beschrieben, ein Verfahren zum Schützen eines Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstandes, der bei der Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird, während des Transports zwischen verschiedenen Produktionsvorgängen oder zwischen den Fabriken, wodurch Brüche während des Ziehens eines Lichtwellenleiters unterbunden werden. Das Verfahren umfasst die Schritte Herstellen eines bei der Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendeten Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstandes in einer ersten Fabrik, Aufbringen einer nicht abziehbaren Schutzschicht auf den Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand und Transportieren des beschichteten Gegenstandes zu einer zweiten Fabrik zur Weiterverarbeitung. Der Siliziumdioxid enthaltende Gegenstand kann beispielsweise ein Kernformling, eine Kernfaser, eine Faservorform, ein Glasröhrchen, das durch ein Innenbedampfungsverfahren gebildet wird, ein Mantelröhrchen, das zum Aufbau einer Glasaußenwand über einem Kernglas oder -stab verwendet wird, oder irgend ein anderer Siliziumdioxid enthaltender Gegenstand sein, der als Zwischenproduktgegenstand bei der Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird. Der Siliziumdioxid enthaltende Gegenstand ist vorzugsweise ein Glas (im Gegensatz zu unverdichtetem Siliziumdioxidruß beim Aufbringen der Schutzschicht).
Erfindungsgemäß wird auf den verdichteten Gegenstand eine nicht abziehbare Schutzschicht aufgebracht, wonach der Zwischenproduktgegenstand zu einer weiteren Fabrik zur Weiterverarbeitung transportiert wird. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass jegliches Partikel-Zwischenprodukt, d.h. ein Kernformling, eine Kernfaser, verdichtete Vorform usw. aufgrund eines Engpasses der Kapazität oder der Unfähigkeit zur Herstellung dieses Zwischenproduktes an dieser bestimmten Fabrik zu einer anderen Fabrik transportiert werden kann. Somit kann die Kernfaser gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in einer ersten Fabrik hergestellt, beschichtet und zu einer zweiten Fabrik transportiert werden, zu einer verdichteten Vorform weiterverarbeitet werden und dann zu einem Lichtwellenleiter ausgezogen werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Gegenstand bei Raumtemperatur solange im Lager aufbewahrt werden, wie es der Produktionsbedarf vorschreibt.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die verdichtete Vorform in einer ersten Fabrik hergestellt werden, eine nicht abziehbare Schutzschicht aufgebracht werden, zu einer zweiten Fabrik transportiert werden und dann in der zweiten Fabrik zu einem Lichtwellenleiter ausgezogen werden. Der Vorformgegenstand wird vorzugsweise vor dem Ziehen gereinigt, so dass sämtliche Partikel, die an der Beschichtung haften, entfernt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise, dass sich bestimmte Fabriken auf die Produktion bestimmter Gegenstände, beispielsweise Kernformlinge, Kernfasern, verdichtete Vorformen oder Kombinationen davon, spezialisieren, wonach die Schutzschicht aufgebracht wird und der anschließende Transport zur nächsten Fabrik erfolgt. Dies kann die Ökonomien und/oder Qualität steigern. Die vorliegende Erfindung ermöglicht darüber hinaus kalte Weitertransporte verdichteter Vorformen zwischen den Arbeitsschritten oder Fabriken, die aber immer noch Bruchraten aufweisen, die vergleichbar sind mit denen von Heißtransporten oder sogar besser (beispielsweise wenn die Temperatur des Gegenstandes bei mehr als etwa 600°C gehalten wird).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der aufgebrachten Schutzschicht beim Härten oder Trocknen kleiner als 10 μm, stärker bevorzugt kleiner als 5 μm und am stärksten bevorzugt kleiner als 1 μm. Die Schicht ist eine ultradünne und nicht abziehbare Schicht, die sich leicht waschen oder reinigen lässt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schicht nach dem Waschen und vor oder während der Weiterverarbeitung abgedampft.
Die vorstehende allgemeine Beschreibung und die nachfolgende eingehende Beschreibung sind selbstverständlich nur beispielhaft und sollen die beanspruchte Erfindung nicht einschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
Die beigefügten Zeichnungen, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen sind, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung, und zusammen mit der Beschreibung dienen sie der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
Es zeigt:
1 eine partielle schematische Querschnittansicht einer Glasoberfläche, die mit der bevorzugten Schutzschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet ist;
2 eine partielle schematische Querschnittansicht einer unbeschichteten Glasoberfläche, die anorganischen Partikeln aus der Umgebung ausgesetzt war;
3 ein Fließschema, das die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte veranschaulicht;
4 ein Fließschema, das eingehende Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
5 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kernformling-Gegenstandes;
6 eine partielle Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen von erfindungsgemäßen Kernfasersegmenten;
7 eine partielle Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kernfasersegmentes;
8 eine partielle Querschnittsansicht eines Teils einer Drehvorrichtung zum Aufbringen von Siliziumdioxid enthaltendem Ruß auf ein erfindungsgemäßes Kernfasersegment;
9 eine Endansicht des Abschnitts der Vorrichtung von 8;
10 eine partielle Querschnittsansicht eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Verdichtungsofenvorrichtung;
11 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen verdichteten Vorformgegenstandes;
12 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Faserziehvorrichtung;
13 den erfindungsgemäßen Transport der beschichteten verdichteten Gegenstände zwischen verschiedenen Fabriken.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsformen eingehend beschrieben.
Es wurde bestimmt, dass Faserbrüche während des Ziehen eines Lichtwellenleiters reduziert werden können, indem eine nicht abziehbare Schutzschicht auf verschiedene Siliziumdioxid enthaltende Zwischenproduktgegenstände aufgebracht wird, die im Verlauf der Herstellung eines Lichtwellenleiters hergestellt werden. Eine solche Schutzschicht kann beispielsweise auf eine Oberfläche einer Siliziumdioxid enthaltenden Lichtwellenleiter-Vorform aufgebracht werden, aus der der Lichtwellenleiter gezogen wird. Der Siliziumdioxid enthaltende Gegenstand ist vorzugsweise ein verdichteter Glasgegenstand auf Silikatbasis, wie eine Lichtwellenleiter-Vorform oder ein anderer verdichteter Glaszwischengegenstand, zur Verwendung bei der Herstellung einer Lichtwellenleitervorform, wie eines Kernformlings, einer Kernfaser oder eines Siliziumdioxidröhrchens. Ist der Siliziumdioxid enthaltende Glasgegenstand eine verdichtete Vorform, besteht diese gewöhnlich aus einem Kernbereich, der aus einem Siliziumdioxid besteht, das mit einem den Brechungsindex verändernden Dotierungsmittel dotiert ist, wie Germaiumoxid oder Fluor, und der Kern ist von einem Mantel umgeben, der gewöhnlich aus Siliziumdioxid oder fluordotiertem Siliziumdioxid besteht.
Die Schutzschicht schützt den Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand vor bruchinduzierenden Partikeln, wie anorganischen Partikeln, und erleichtert die Entfernung dieser Partikel vor dem Ziehen des Lichtwellenleiters oder der Weiterverarbeitung des Gegenstandes. Die Weiterverarbeitung kann in der ersten Fabrik, wie A, oder gegebenenfalls in einer zweiten Fabrik B, C oder D, erfolgen, die sich beispielsweise weiter weg befinden (siehe 13). Die Weiterverarbeitung kann gegebenenfalls beispielsweise einen anderen Produktionsvorgang in der gleichen Fabrik umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die nicht abziehbare Schicht vorzugsweise abgedampft, und hinterlässt im Wesentlichen keinen Rückstand beim Ausziehen des Lichtwellenleiters oder bei der Weiterverarbeitung, so dass sie die optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters nicht beeinträchtigt. Vor dem Abdampfen der Schutzschicht wird die Schicht vorzugsweise gewaschen, um jegliche an der Schicht haftenden Partikel im Wesentlichen zu entfernen. Die Schicht kann alternativ vor der Weiterverarbeitung im Wesentlichen vollständig entfernt werden.
Die Schutzschicht wird vorzugsweise auf eine Glasoberfläche aufgebracht, die mit einer Atmosphäre zusammenkommt, in der sie anorganischen Partikeln ausgesetzt sein könnte. Die Schutzschicht wird vorzugsweise auf eine verdichtete oder gesinterte Glasoberfläche, statt des nicht verdichteten Glasrußes aufgebracht. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Schicht auf den Gegenstand in einer ersten Fabrik wie in 3 beschrieben aufgebracht. Die Schicht wird vor dem Transport zum Schutz des Gegenstandes vor Verunreinigung während des Gebrauchs und des Transports zu einer zweiten Fabrik aufgebracht. Insbesondere wird der Lichtwellenleiter-Gegenstand in einer ersten Fabrik wie in dem Block mit der Bezeichnung 31 hergestellt. Der Gegenstand kann ein Kernformling, eine Kernfaser, eine verdichtete Vorform, ein verdichtetes Siliziumdioxid enthaltendes Röhrchen oder ein ähnlicher hochreiner Glaszwischengegenstand sein, der zur Herstellung des Lichtwellenleiters verwendet wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird der Gegenstand mit einer Schutzschicht, vorzugsweise durch Aufwischen auf die Schicht, in Block 33, wie hier nachstehend beschrieben überzogen und dann wie in Block 35 angegeben durch eine geeignete Transportvorrichtung zur zweiten Fabrik transportiert. Übliche Transportvorrichtungen umfassen einen beliebigen kommerziellen oder privaten Frachtkurier, Paketdienst oder einen anderen Transportdienst. Der Begriff "zweite Fabrik" wie er hier verwendet wird, bedeutet eine getrennte Fabrik, die sich an einer anderen Stelle in dem jeweiligen Land oder außer Landes befindet. Der 13 zufolge können verschiedene Gegenstände, einschließlich der Schutzschicht, zwischen zwei oder mehreren der verschiedenen Fabriken mit den Bezeichnungen A, B, C oder D transportiert werden, und zwar je nach der Kapazität, dem Produktionsbedarf und der Funktion der jeweiligen Fabrik.
Bei einer Ausführungsform davon kann die Schutzschicht auf die Faservorform aufgebracht werden, nachdem die verdichtete Lichtwellenleitervorform hergestellt wurde. Die Anzahl der Partikel, die sich auf der Lichtwellenleiter-Vorform niederschlagen, kann minimiert werden, indem die Schutzschicht sobald wie möglich nach der Herstellung auf die Faservorform aufgebracht wird. Kurz vor dem Ziehen der optischen Faser aus der Faservorform können diese bruchinduzierenden Partikel von der Schutzschicht auf der Faservorform entfernt (gereinigt) werden, indem sie mit einem herkömmlichen Isopropylalkohol enthaltenden Reinraumwischmittel abgewischt werden, sie mit superkritischem CO₂ fortgeblasen werden oder sie mit einer Flüssigkeit wie Wasser abgespült werden. oder durch irgend ein anderes Reinigungsverfahren, das sich zur Entfernung der Partikel eignet. Somit sind während des Ziehens eines Lichtwellenleiters keine Partikel auf der Faservorform zugegen und machen daher keine Quellen für Bruch im Lichtwellenleiter aus. Nach der Entfernung der Partikel wird die Schicht beim Einwirken der Wärme im Ziehofen abgedampft. Alternativ kann die Schicht im Wesentlichen vollständig vor dem Einbringen in den Ofen durch Reinigen mit dem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden.
Die Schutzschicht vereinfacht vorzugsweise die Entfernung der Partikel, indem die Bindung der Partikel an die Glasoberfläche der Faservorform oder eines anderen Zwischengegenstandes unterbunden wird. Insbesondere nimmt man an, dass die Schutzschicht an aktive Stellen auf der Glasoberfläche aufgrund einer kovalenten Bindung, einer Ionenbindung, oder einer Bindung aufgrund von Van der Waals-Kräfte haften. Da eine Schutzschicht 30 an die aktiven Stellen einer Glasoberfläche 10 bindet, liegen die Partikel der 1 zufolge bloß auf der Schutzschicht 30 und binden nicht an diese aktiven Stellen. Die aktiven Stellen können beispielsweise Gruppen umfasse, die eine SiMOx-Verbindung bilden, wobei M ein Metall ist. Beispiele für Gruppen, die sich bilden, wie eine SiMOx-Verbindung, umfassen OH-, SiOH- und GeOH-Gruppen.
Die Schutzschicht kann vorzugsweise zumindest partiell entfernt werden, und wird vorzugsweise im Wesentlichen vollständig von der Faservorform vor dem Faserziehen entfernt. Die Schutzschicht kann in Form eines wasserlöslichen Polymers, wie Polyvinylalkohol oder Hydroxymethylcellulose, hergestellt werden, das von der Faservorform durch Waschen der Faservorform mit Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel entfernt wird, so dass die Schutzschicht entfernt wird.
Wie vorstehend erwähnt wird die Schutzschicht während des Verfahrens der Erwärmung der Vorform abgedampft, so dass der Lichtwellenleiter daraus gezogen werden kann. Folglich besteht in dieser Ausführungsform kein Bedarf zur Entfernung der Schutzschicht vor dem Einbringen der Vorform in den Ziehofen. Die Schutzschicht sollte im Ziehverfahren so früh abbrennen, dass sie kein integrierter Teil des Lichtwellenleiters wird. Die Temperatur des Ofens während des Ziehens beträgt gewöhnlich etwa 1400°C bis 2000°C. Die Schutzschicht dampft vorzugsweise unter 900°C und stärker bevorzugt unter etwa 500°C ab (der Großteil des Polymers sollte unter 500°C abbrennen, jedoch brennt Kohlenstoff zwischen etwa 600°C und 900°C ab). Die Schicht wird direkt vor dem Einbringen in und dem Abdampfen im Ofen gereinigt.
Die Schutzschicht hinterlässt im Wesentlichen keinen schädlichen anorganischen Rückstand nach dem Abdampfen. Der Begriff "schädlicher anorganischer Rückstand", wie er hier verwendet wird, steht für einen beliebigen Rückstand, der als Bruchquelle wirkt. Ein solcher anorganischer Rest löst sich oft nicht in dem Glas und bildet stattdessen einen Teil der Glasstruktur. Vorzugsweise hinterlässt die Schutzschicht auch keinen organischen Rückstand oder eine kohlenstoffhaltige Spezies.
Ebenfalls bevorzugt ist, dass die Schutzschicht den Aufbau von Statik auf der Faservorform verhindert. Dies verhindert, dass Partikel auf die Faservorform angezogen werden.
Viele Materialien stellen eine Schutzschicht bereit, die die vorstehend genannten wünschenswerten Eigenschaften der leichteren Entfernung der anorganischen Partikel und Ablösen während des Ziehens eines Lichtwellenleiters erfüllt. Viele dieser Materialien stellen auch die oben genannten zusätzlichen wünschenswerten Eigenschaften bereit.
Viele organische Materialien erfüllen die vorstehend genannten bevorzugten Kriterien für die Schutzschicht. Insbesondere sind organische Materialien, die eine selbst formende Monoschicht auf dem Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand bilden, derzeit bevorzugt. Organische Materialien dieses Typs haben vorzugsweise eine Kohlenwasserstoff- oder Fluorkohlenstoff-Funktionalität und umfassen Silane, wie Silanmonomere oder -oligomere. Beispiele umfassen Kohlenwasserstoff-Silane, Fluorkohlenstoff-Silane, epoyfunktionelle Silane, acrylatfunktionelle Silane, aminfunktionelle Silane, thiolfunktinelle Silane, phenylfunktionelle Silane und können jegliche Kombination der vorstehenden umfassen. Kohlenwasserstoffsilan (beispielsweise C₁₈H₃₇ - Si(OR)₃) und Fluorkohlenstoffsilane (beispielsweise C_3-10Fn - CH₂CH₂ - Si(OR)₃) sind spezifische Beispiele für organische Materialien, die jeweils die vorstehend genannten bevorzugten Anforderungen erfüllen.
Andere Beispiele für organische Schutzschichten umfassen Alkyl- und Arylammonium-Verbindungen, beispielsweise C₁₈H₃₇N(CH₃)₃Cl oder C₁₇H₃₅CO₂Na. Erstere ist derzeit bevorzugt, wenn das Glas negativ geladen ist, wohingegen Letztere bevorzugt ist, wenn das Glas positiv geladen ist.
Wachse, wie Ethylenbissteramid, können beispielsweise einen geeigneten Schutz bereitstellen.
Andere organische Schutzschichten können an das Glas über Van der Waals-Kräfte binden. Solche Beispiele umfassen Acrylatpolymere und Polyvinylalkohol.
Das organische Material kann auf die Faservorform beispielsweise durch Mischen des organischen Materials mit deionisiertem Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel, wie Isoproanol oder Aceton, für das organische Material, oder durch Sprühen oder Wischen der Lösung auf die Faservorform oder Eintauchen der Faservorform in die Lösung aufgebracht werden. Die Lösung enthält vorzugsweise 0,01 bis 2% organisches Material.
Bestimmte Polymere erfüllen ebenfalls die vorstehend genannten Kriterien für die Schutzschicht. Solche Polymere umfassen wasserlösliche Polymere, wie Polyvinylalkohol oder Hydroxymethylcellulose; thermoplastische Polymere, wie Polybutylmethacrylat; Polymere auf Latex-Basis, wie vernetzte Polybutylmethacrylat-Latex-Dispersion in Wasser; wärmehärtende Polymere, wie Epoxy oder Urethan; UV-härtbare Polymere, wie Acrylate und Epoxyharze.
Diese Polymere können durch verschiedene Technologien aufgebracht werden, wie zuerst durch Auflösen der Polymere oder Monomere in Wasser, wie im Fall von Polyvinylalkohol oder Hydroxymethylcellulose; oder in einem geeigneten organischen Lösungsmittel, wie Aceton im Fall von Polybutylmethacrylat; oder durch Aufbringen der Epoxy-, Urethan- oder Acrylatmonomere oder -Oligomere auf die Glasoberfläche und anschließendes Härten dieser Materialien durch Hitze oder UV-Licht.
Zudem erfüllt Kohlenstoff die vorstehend genannten Bedingungen für die Schutzschicht insbesondere für die Faservorform. Durch herkömmliche Techniken, wie Bedampfen. kann Kohlenstoff auf die Faservorform aufgebracht werden. Methan, Acetylen oder andere Kohlenstoffverbindungen können beispielsweise durch Erwärmen in einer inerten Atmosphäre zersetzt werden, so dass der Kohlenstoff veranlasst wird, sich auf der Glasoberfläche der Faservorform niederzuschlagen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schutzschicht eine Dicke von weniger als 10 μm, stärker bevorzugt weniger als 5 μm und am stärksten bevorzugt weniger als 1 μm auf. Die Schicht ist so dünn, dass sie sich nicht abziehen lässt.
Das folgende Beispiel veranschaulicht einen Vorteil der Erfindung.
Beispiel 1
Eine C18-Kohlenwasserstoff-Silan (HC-Silan)-Schutzschicht-Beschichtung (DuPont, TLF-8291) wurde als 1% Lösung in Wasser hergestellt. Mehrere Faser-Vorformen wurden hergestellt, dann in einer Fabrikanlage für mehrere Std. stehen gelassen. Die Faservorformen wurden dann mit einem Isopropylalkohol enthaltenden Reinraumtuch unmittelbar vor dem Ziehen zu einem Lichtwellenleiter abgewischt.
Das Isopropylalkohol enthaltende Tuch entfernte nur den Schmutz, der während des Einwirkens der Fabrikatmosphäre an der Schutzschicht haftete. Das Isopropyl enthaltende Tuch entfernte die Silanschutzschicht nicht. Stattdessen wurde die Silanschicht während der frühen Phasen des Faserziehverfahrens aufgrund der eingesetzten hohen Temperaturen abgedampft. Die an der Faser durchgeführte TOF – SIMS-Analyse zeigte, dass kein restliches Silan auf dem gezogenen Faserprodukt zurückblieb, und es wurden keine schädlichen Wirkungen auf die Eigenschaften der Faser aufgrund der Verwendung dieses Schutzbeschichtungsverfahrens beobachtet. Mit Hilfe der oben beschriebenen Schutz-Silanbeschichtungen, waren die Bruchraten dagegen signifikant reduziert verglichen mit den Bruchraten, die gewöhnlich bei diesem Fasertyp erwartet werden, insbesondere im Vergleich zu kalten Transporten ohne Schutzschicht.
Für eine leichtere Erklärung wurde die vorliegende Erfindung anhand der Bereitstellung einer Schutzschicht auf einer Faservorform beschrieben, so dass ein Zwischenprodukt erzeugt wurde, das vor bruchinduzierenden Partikeln geschützt ist. Eine Schutzschicht kann jedoch auch auf anderen Siliziumdioxid enthaltenden Gegenständen bereitgestellt werden, die bei der Herstellung von Lichtwellenleitern verwendet werden, so dass man Zwischenprodukte erzeugt, die vor bruchinduzierenden Partikeln geschützt sind. Der Siliziumdioxid enthaltende Gegenstand kann ein Kernfasersegment sein, oder ein Kernformling, der in einem Außenbedampfungsverfahren verwendet wird. Als zusätzliches Beispiel kann der Siliziumdioxid enthaltende Gegenstand ein Glasröhrchen sein, das in Innenbedampfungsverfahren verwendet wird.
Bei jedem dieser Beispiele wird die Schutzschicht auf eine verdichtete oder gesinterte (statt Ruß) Glasoberfläche auf dem Siliziumdioxid enthaltenden Zwischengegenstand aufgebracht, und zwar in einer Menge, die hinreicht, dass eine vorzugsweise dünne Beschichtung bereitgestellt wird, die hinreichend kontinuierlich ist, dass sie den Gegenstand vor Partikeln schützt, die ansonsten potentielle Quellen für Faserbrüche während des Faserziehverfahrens darstellen. Der Begriff "Zwischengegenstand", wie er hier verwendet werden, steht für einen Zwischengegenstand, der zur Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet wird, bis zu und einschließlich eines Gegenstands, aus dem die Faser gezogen wird, aber nicht die Faser selbst. Diese Schutzschichten werden vorzugsweise zumindest auf Bereiche aufgebracht, die entscheidend zur Verhinderung von Brüchen sind, die durch Fremdpartikel verursacht werden. Ein Beispiel für solch einen entscheidenden Bereich ist der Bereich auf einer Kernfaser, auf den ein zusätzlicher Kern oder ein Glasüberzug oder Glasruß zugefügt wird. Durch Einsatz einer Schutzschicht, die zumindest die entscheidenden Bereiche auf dem Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand vollständig oder im Wesentlichen bedeckt, können Brüche aufgrund von anorganischen Partikeln, die mit dem Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand zusammenkommen, erheblich reduziert werden. Die Schutzschicht kann aus diesen zusätzlichen Zwischenprodukten über Techniken entfernt werden, die denen ähneln, welche für die Faservorform offenbart wurden, beispielsweise können sie partiell oder vollständig vor der Weiterverarbeitung mit einem Lösungsmittel entfernt werden.
Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise beinhalten, dass man den verdichteten Gegenstand, beispielsweise den Kernformling 31, wie in 5 gezeigt, auf Raumtemperatur oder nahezu Raumtemperatur kühlen lässt, indem die Schutzschicht auf die Oberfläche 32 des Gegenstands aufgebracht wird, und der Gegenstand (beispielsweise der Kernformling) an eine weitere Abteilung, Einheit oder Stelle in der ersten Fabrik (beispielsweise Fabrik A – siehe 13) für einen zweiten Produktionsvorgang oder zu einer zweiten Fabrik (beispielsweise Fabrik B) überführt wird, wo weitere Arbeitsschritte an dem Gegenstand 31 durchgeführt werden. Ist der Gegenstand beispielsweise ein Kernformling 46, kann dieser zu einem Ausziehofen 48 überführt werden, wie in 6 gezeigt, wo er zu einer im Wesentlichen kontinuierlichen Kernfaser gezogen wird. Der Ausziehofen 48 kann sich beispielsweise in einem anderen Abschnitt der ersten Fabrik A oder an einer anderen Fabrik B, C oder D (13) befinden. Die Positionen und Anzahl der gezeigten Fabriken sind insbesondere bloß veranschaulichend. Die Anzahl der Fabriken und ihre Stellen können sich dort befinden, wo es Geschäfts- und Produktionsüberlegungen vorschreiben. Somit ist der verdichtete Gegenstand in einer vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Kernformling 46, der zu einer anderen Fabrik B, C oder D transportiert und dort zu einer Kernfaser 62 gezogen wird.
Für einen mit Germaniumdioxid dotierten Siliziumdioxid-Ziehformling umfasst der Ausziehofen 48 gewöhnlich eine Heißzone 41 mit einem Temperaturenbereich zwischen etwa 1800°C und 2100°C. Wird der Formling 46 in die Heißzone 41 gesenkt, tropft ein Strang aus geschmolzenem Glas von der Vorform 46 und gelangt durch einen Kühlabschnitt 50. An das obere Ende (nicht gezeigt) der Vorform 46 wird ein Vakuum angelegt, damit sich die Öffnung 40 leichter schließt. Die kontaktlose Messvorrichtung 52, die sich unter dem Ofen 48 befindet, misst den Durchmesser "d" der kontinuierlichen Faser 62, die aus dem Ausziehofen 48 tritt. Die kontinuierliche Faser 62 wird durch einen Satz von Transportwalzen 60 geleitet, die eine geeignete Spannkraft zum Ziehen der kontinuierlichen Faser 62 auf den geeigneten Durchmesser "d" bereitstellen. Eine geeignete Steuerung 59 kann beispielsweise die Tiefenvorschubrate (wie durch den Pfeil 63 angegeben), die Zuggeschwindigkeit (angegeben durch die Pfeile 61) der Transportwalzen 60 oder andere Parameter steuern. Der Eingang zur Steuerung 59 ist vorzugsweise der Durchmesser der kontinuierlichen Faser 62 auf der Basis der Daten, die vom kontaktlosen Sensor 52 in Leitung 63 zugeführt werden. Gegebenenfalls können auch andere Eingänge bereitgestellt werden. Bei einer festgelegten Länge der kontinuierlichen Faser 62, die durch die Transportwalzen gelangt, wird eine Schneidevorrichtung, wie eine Lötlampe, aktiviert, die die kontinuierliche Faser 62 so schneidet, dass Kernfasersegmente 65 mit festgelegter Länge erzeugt werden, wie am besten in der 7 und Block 34 von 4 dargestellt.
Vor der Übertragung zum nächsten Arbeitsschritt in dem Produktionsverfahren, wird das Kernfasersegment 65 unabhängig davon, ob dieses in der gleichen Fabrik oder einer anderen Fabrik erfolgt (wie in den 4, 12 und 13 veranschaulicht), vorzugsweise mit der Schutzschicht in Block 35 wie hier vorstehend beschrieben, ausgestattet. Beim nächsten Herstellungsvorgang, der in einer anderen Fabrik erfolgt (wie B, C oder D), wird die beschichtete Kernfaser 65 über ein beliebiges praktisches Transportmittel zu einer zweiten Fabrik transportiert, wie in Block 36 angegeben. Beispiele für den Transport umfassen Kurier-, Paket- andere Transportdienstleistungen.
Beim nächsten Arbeitsschritt wird die Kernfaser 65 vorzugsweise in einer Drehvorrichtung wie in den 8 und 9 gezeigt installiert und gedreht. Der Brenner 53 führt vorzugsweise mehrere Durchgänge durch, um die Schutzschicht vor dem Beginn der Rußabscheidung abzudampfen. Stärker bevorzugt wird die Faser 65 vor dem Abdampfen der Schutzschicht gereinigt, und zwar vorzugsweise durch Abwischen, wie vorstehend beschrieben. Zusätzlicher Ruß 62 wird dann auf die Faser 65 wie in Block 37 (4) gezeigt abgeschieden, indem eine oder mehrere Siliziumdioxid-Vorstufen in eine Flamme eingebracht werden, die von einem oder mehreren Methanbrennern 53 ausgeht. Aus dem abgeschiedenen Ruß wird eine Rußmantelschicht 68 gebildet. Endbrenner 63 egalisieren die Spannungen am jeweiligen Ende Faser 65 und verhindern, dass die Rußschicht 68 dort abplatzt. Es versteht sich, dass mehrere Dotierungsmittel in den Vorstufen enthalten sein können, damit das gewünschte Brechungsindexprofil hergeleitet wird, durch Abscheidung von Kern- und/oder Mantelruß. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die das gleiche Silan einsetzt, wie in Beispiel 1 oben zum Schutz eines Glaskernfasersegmentes 65, wird das Material während der Abscheidung von zusätzlichem Kern- oder Glasruß über ein Außenbedampfungsverfahren abgedampft.
Nach dem Rußabscheidungsschritt wird die Rußvorform 69 in einem Verdichtungsofen 70 (10) untergebracht, chlorgetrocknet und in einer heliumhaltigen Atmosphäre auf herkömmliche Weise verdichtet, so dass man eine verdichtete Lichtwellenleiter-Vorform 72 erhält, wie am besten beispielsweise in 11 und in Block 38 in 4 gezeigt. Wieder wird die Vorform 72 beim Kühlen auf oder nahe Raumtemperatur vorzugsweise mit der hier beschriebenen Schutzschicht beschichtet. Soll die Vorform 72 kalt in eine andere Abteilung, Einheit oder Stelle in einer bestimmten Fabrik oder eine andere Fabrik zur Weiterverarbeitung transportiert werden, verhindert de Schicht eine Verunreinigung ihrer Oberfläche durch Partikel. Kalte Transporte verdichteter Vorformen, die die Schutzschicht einsetzen, ermöglichen Bruchraten, die mit den im Stand der Technik eingesetzten Warmtransporten vergleichbar oder sogar noch besser sind.
In einem Endschritt wie in der 12 und in Block 39 von 4 gezeigt, wird die verdichtete Vorform 72 in einem Ziehturm 74 untergebracht, und ein Lichtwellenleiter 78 wird mittels herkömmlicher Techniken daraus gezogen. Die Vorform 72, die durch den Haltestab 79 gehalten wird, wird in die Heißzone 78 des Ofens mit Heizspiralen 80 eingebracht. Das untere Ende der Vorform 72 wird geschmolzen, und das Ausüben von Spannung (über Transportwalzen, nicht gezeigt) ermöglicht, das daraus die Faser 76 gezogen wird. Die Schicht kann insbesondere wie hier vorstehend erwähnt entfernt werden oder kann durch die Wärme des Ofens abgetragen werden. Die Faser wird dann beschichtet und auf eine Spule gewickelt, wie es im Stand der Technik üblich ist.
Man beachte, dass die Schutzschicht, die auf die hier beschriebenen anderen Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstände aufgebracht wird, vorzugsweise die vorstehend genannten Kriterien in Bezug auf die Schutzschicht für die Faservorform erfüllt. Die Stelle im Herstellungsverfahren, bei der die Schutzschicht abdampft oder aus diesem Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand entfernt wird, ändert sich natürlich.
Soll eine beispielsweise auf einen anderen Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand als eine Faservorform aufgebrachte Schutzschicht abgetragen werden, geschieht dies während der Weiterverarbeitung des Gegenstandes. Bei einem Außenbedampfungsverfahren ist es beispielsweise vorteilhaft, dass eine Schutzschicht auf einem Kernformling während des Ziehens der Kernformlings zu einer Kernfaser abgedampft wird. Entsprechend ist es vorteilhaft, dass eine Schutzschicht auf einem Kernsegment während der Abscheidung von Ruß darauf abgetragen wird.
Die hier beschriebenen Schutzschichten eignen sich hervorragend zum Schützen der Kernfaser oder eines anderen Glaszwischengegenstandes, bevor zusätzlicher Glasruß zu diesen Gegenständen gefügt wird. Bei solchen Ausführungsformen kann die Schutzschicht auf eine Glaskernfaser zum Schutz der Kernfaser aufgebracht werden, bis die Kernfaser weiterverarbeitet wird, beispielsweise in der gleichen Fabrik oder einer gesonderten Fabrik. Wird zusätzliches Rußmaterial auf die Kernfaser gegeben, wird die Kernfaser vorzugsweise zuerst erwärmt, um die organische Schutzschicht zu entfernen, wonach zusätzlicher Glasruß auf dem Kernfasersegment zur Bildung eines überschichteten Rußformlings abgeschieden wird. Dieser Formling kann dann durch herkömmliche Maßnahmen verdichtet werden, so dass man eine verdichtete Vorform erhält, aus der der Lichtwellenleiter gezogen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine verdichtete Lichtwellenleiter-Vorform 72 (11), nach dem Verdichten in einem Ofen 72 wie in 10 gezeigt, bei einer Temperatur zwischen etwa 1450 bis 1600°C auf oder nahezu Raumtemperatur gekühlt. Die Vorform 72 wird sauber gewischt und eine Schutzschicht wird wie hier beschrieben aufgebracht. Die Vorform 72 kann dann vorübergehend im Lager und bei Raumtemperatur aufbewahrt werden, bis die Produktionsanforderungen den Transport zum Ziehofen bestimmen, um daraus die Faser zu ziehen. Gegebenenfalls kann die Vorform zu einer gesonderten Fabrik zum anschließenden Ziehen zu einer Faser transportiert werden. Vorteilhafterweise kann die Vorform 72 sauber gewischt werden oder die Beschichtung vor dem Einbringen in den Ziehofen entfernt werden. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass jegliche bruchinduzierenden Partikel entfernt werden. Dieses gesamte Verfahren des Kühlens der Vorform auf Raumtemperatur und dann die spätere Weiterverarbeitung (beispielsweise das Ziehen zu einer Faser) wird hier als "kalter Transport" bezeichnet.
In Bezug auf das Innenbedampfungsverfahren als weiteres Beispiel ist es vorteilhaft, dass die Schutzschicht auf den Innendurchmesser (ID) und die Außenseite des resultierenden erzeugten Glasröhrchens aufgebracht wird. Dies erfolgt vorzugsweise durch Abwischen des ID und Abwischen des OD, so dass darauf eine Schutzschicht erzeugt wird. Es ist vorteilhaft, dass die Schutzschicht während der Feuerpolitur oder eines anderen direkt vor dem Abscheiden eingesetzten Rohrpräparationsschrittes abgedampft wird, oder direkt wenn die erste Schicht aus zusätzlichem Ruß abgeschieden wird. Soll eine Schutzschicht von einem Kernformling, einer Kernfaser oder einem Glasröhrchen entfernt werden, wird sie entsprechend vor oder während der nachfolgenden Verarbeitung entfernt, wie dem Ausziehen oder der Abscheidung von zusätzlichem Ruß. Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf Stab-in-Rohr-Bestandteilen anwendbar ist und während der nachfolgenden Schritte, zum Verschweißen der Komponenten abgedampft wird.
Dem Fachmann ist es geläufig, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass man vom Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche abweicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleitergegenstandes mit den Schritten: (a) Herstellen eines verdichteten, Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstandes in einer ersten Fabrik, wobei der Gegenstand bei der Herstellung eines Lichtwellenleiters verwendet werden kann, (b) Aufbringen einer nicht abziehbaren Schutzschicht auf den verdichteten, Siliziumdioxid enthaltenden Gegenstand, um einen beschichteten, verdichteten Gegenstand zu bilden, und (c) Transportieren des beschichteten, verdichteten Gegenstandes zu einer zweiten Fabrik zur Weiterverarbeitung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schutzschicht ein organisches Material einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Schutzschicht mindestens eines aus einem wasserlöslichen Polymer, einem thermoplastischen Polymer, einem Latex-basierten Polymer, einem wärmehärtenden Polymer und einem UV-härtbaren Polymer einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Schutzschicht ein Silan umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Schutzschicht ein organisches Material einschließlich mindestens eines aus Kohlenwasserstoffsilan, Fluorkarbonsilan, epoxyfunktionelles Silan, acrylatfunktionelles Silan, aminfunktionelles Silan, thiolfunktionelles Silan, phenylfunktionelles Silan einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Schutzschicht mindestens eines aus einer Alkylammoniumverbindung, einer Arylammoniumverbindung oder einem Wachs umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Schutzschicht eines aus einem Acrylatpolymer und einem Polyvinylalkohol umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schutzschicht eine Schichtdicke von weniger als 10 μm besitzt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Schutzschicht eine Schichtdicke von weniger als 5 μm besitzt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Schutzschicht eine Schichtdicke von weniger als 1 μm besitzt.