DE60035478T2

DE60035478T2 - Verfahren zum Kühlen einer optischen Faser während des Ziehens

Info

Publication number: DE60035478T2
Application number: DE60035478T
Authority: DE
Inventors: Sophie Dubois; Gerard Orcel; Jean-Francois Bourhis
Original assignee: Draka Comteq BV
Current assignee: Draka Comteq BV
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: DE60035478D1; CN1301675A; DK1112976T3; CN1204071C; ATE366715T1; DK1112976T5; EP1112976B1; JP4990429B2; US20010006262A1; JP2001192228A; EP1112976A1; FR2803287A1; FR2803287B1; US6565775B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen einer optischen Faser während eines Faserziehens durch in Kontakt bringen mit mindestens einem Abkühlfluid in mindestens einem Abschnitt des Abkühlens.
Es gibt verschiedene Kategorien von optischen Fasern: die optischen Fasern auf Basis von Oxidglas, die optischen Fasern auf Basis von Fluorglas und die optischen Kunststofffasern auf Basis eines Polymermaterials. Die optische Faser auf Basis von Oxidglas, allgemein aus Quarzglas, wird durch Heißziehen oder Faserziehen ausgehend von einer Vorform hergestellt, welche ein großer Zylinder aus Quarzglas, gegebenenfalls zumindest teilweise dotiert, mit einem Durchmesser, welcher im Allgemeinen zwischen 20 und 200 mm enthalten ist und einer Länge, welche im Allgemeinen zwischen 300 und 2000 mm enthalten ist, ist. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Faserziehturms 1. Eine Vorform 2 wird in einem Faserziehofen 3 geschmolzen, welcher die Temperatur der Vorform auf ungefähr 2000°C bringt. Eine so erhaltene Faser 7 wird in der Umgebungsluft und dann in zumindest einer Abkühlvorrichtung 4 und schließlich neuerlich in Umgebungsluft abgekühlt, bevor sie in eine Verkleidungsvorrichtung 5 eingeführt wird. Die Position der Abkühlvorrichtung 4 in dem Faserziehturm 1 wird im Allgemeinen optimiert, um eine gute Temperatur bezüglich der Beschichtung mit Harz zu erhalten. Die Verkleidungsvorrichtung 5 realisiert die Verkleidung der Faser 7 mit mindestens einem Verkleidungsharz, meistens durch ultraviolette Strahlung vernetzbar. Die Vorrichtung 5 umfasst im Allgemeinen mindestens eine Einspritzvorrichtung (5a, 5c) gefolgt von mindestens einer Vernetzungsvorrichtung (5b, 5d). In dem in 1 dargestellten Fall umfasst die Vorrichtung 5 eine primäre Harzeinspritzvorrichtung 5a gefolgt von einer Vernetzungsvorrichtung 5b für das Harz durch ultraviolette Strah lung, dann eine sekundäre Harzeinspritzvorrichtung 5c gefolgt von einer Vernetzungsvorrichtung 5d für das Harz durch ultraviolette Strahlung. Schließlich wird eine verkleidete optische Faser durch eine Winde 6 gezogen und dann auf einer Aufwickelspule 9 aufgerollt.
Die unterhalb des Faserofens 3 vorliegenden Vorrichtungen, welche gemäß derselben vertikalen heruntergehenden Achse Z angeordnet sind, werden allgemein über ihre Position bezüglich der Unterseite des Faserziehofens 3 gefunden, wie dies die Bezeichnung z andeutet. Alle Elemente der durch die 1 dargestellten Vorrichtung sind dem Fachmann wohlbekannt. Andere, welche nicht dargestellt sind, sind dem Fachmann ebenso wohlbekannt. Es ist beispielsweise so, dass Mittel zum Messen des Durchmessers der nicht verkleideten und/oder verkleideten Faser, Mittel zum Messen der Exzentrizität der Faser in der primären und/oder sekundären Verkleidung und Mittel zum Messen der Temperatur der Faser bei einer gegebenen Position zur bekannten Technik gehören.
Die Abkühlung sollte es erlauben, die Temperatur der Faser am Ausgang des Faserziehofens zu einer Temperatur zu bringen, welche mit dem Aufbringen des Verkleidungsharzes kompatibel ist, d.h. der Größenordnung von 50°C. In der Tat ist die Temperatur der Faser am Ausgang des Faserziehofens erhöht, im Allgemeinen in der Größenordnung von 1000–2000°C für eine Faser auf Basis von Quarz abhängig von dem Faserziehofen und der benutzten Ziehgeschwindigkeit. Das Abkühlen der Faser zwischen dem Ausgang des Faserziehofens und dem Eingang der Verkleidungsvorrichtung ist eines der beim Faserziehen zu lösenden Hauptprobleme, und dies umso mehr, als dass man die Geschwindigkeit des Faserziehens erhöhen will. In der Tat ist es bekannt, dass die Dämpfung der Faser von den Bedingungen des Abkühlens abhängt und dass, wenn die Temperatur der Faser am Eingang der Verkleidungsvorrichtung zu hoch ist, dies zu Problemen wie der Exzentrizität der Faser in ihrer Verkleidung ebenso wie der Qualität der Verkleidung führen kann. Nun vergrößert sich aber die Geschwindigkeit des Faserziehens von Fasern auf Basis von Quarz in der industriellen Produktion, welche vor einigen Jahren schon bei 300 m/min lag, immer mehr, um heute Werte der Größenordnung von 1500 m/min oder mehr zu erreichen. Diese Tendenz bestätigt sich in unseren Tagen, verknüpft mit der Vergrößerung der Produktivität, welche eines der Hauptziele der Industrie der optischen Fasern ist.
Im Fall einer Herstellung von optischen Fasern auf Basis von Fluoridglas ist das Prinzip des Verfahrens das Gleiche, aber die Vorform weist im Allgemeinen eine geringere Größe auf, allgemein mit einem Durchmesser von 15–20 mm für eine maximale Länge von einigen bis einigen zehn cm, beispielsweise 10 cm, und die Temperatur am Ausgang des Faserziehofens ist im Allgemeinen zwischen 300 und 450°C enthalten. In diesem Fall kann sich dasselbe technische Problem stellen. In derselben Weise kann sich im Fall einer Herstellung von optischen Fasern auf Basis von Polymermaterial, wo die Vorform im Allgemeinen noch kleiner ist, allgemein mit einigen zehn mm im Durchmesser, beispielsweise 80 mm Durchmesser, für eine maximale Länge von einigen zehn cm, beispielsweise 50 cm, und die Temperatur am Ausgang des Faserziehofens allgemein zwischen 200 und 250°C enthalten ist, dasselbe technische Problem stellen. In der folgenden Beschreibung wird anhand von optischen Fasern auf Basis von Quarz erläutert, eine identische Erläuterung trifft für die anderen Arten von optischen Fasern zu, darunter die optischen Fasern auf Basis eines anderen Glases als Quarz.
Um die Faser auf Basis von Quarz abzukühlen, wurden verschiedene Vorrichtungen realisiert. Eine mögliche Lösung ist es, die Austauschoberfläche zwischen der abzukühlenden Faser und der Umgebungsluft zu vergrößern, insbesondere durch Vergrößerung des Abstands zwischen dem Faserziehofen und der Verkleidungsvorrichtung. Aber eine derartige Lösung würde implizieren, die Höhe der derzeit benutzten Faserziehtürme zu vergrößern, was zunächst hinsichtlich der Investitionen wesentlich teurer wäre.
Eine andere Lösung ist es, die Effizienz des Abkühlens auf der existierenden Distanz zwischen dem Faserziehofen und der Verkleidungsvorrichtung zu vergrößern. Über das einfache Abkühlen bei Umgebungsluft, welches sich als sehr unzureichend für die derzeit benutzten Faserziehtürme erweist, hinaus, besteht das gemeinsame Prinzip der verschiedenen in der Industrie benutzten Vorrichtungen, welches beispielsweise durch die europäische Patentanmeldung EP 0 079 186 A1 illustriert wird, in dem Einspritzen eines Gases radial zu der Oberfläche der Faser bei einer gegebenen Position hinsichtlich des Ausgangs des Faserziehofens und in der Zirkulation des Gases, aufsteigend oder absteigend, über eine bestimmte Länge der Faser im Kern eines Austauschrohres. Die thermische Leitfähigkeit des Gases, von welchem dem Fachmann bekannt ist, dass es allgemein Luft, Kohlendioxid, Stickstoff, Argon oder Helium, bevorzugt Helium gegebenenfalls gemischt mit Stickstoff, sein kann, ist Quelle eines thermischen Transfers. Bevorzugt wird das Rohr am Rand mit Hilfe eines Abkühlfluids, welches im Allgemeinen Wasser ist, abgekühlt. Beispielsweise beschreibt das Patent US 4,761,168 A eine Perfektionierung derartiger Systeme, indem man Gas entlang der Faser in einem Austauschrohr bestimmter Form zirkulieren lässt, welche das regelmäßi ge Ersetzen der begrenzten Gasschicht, welche entlang der Faser zirkuliert, sicherstellt. Eine derartige Perfektionierung zielt darauf ab, die Effizienz des thermischen Austauschs zu verbessern.
Auf der anderen Seite ist eines der Hauptprobleme, welche die schlussendliche Benutzung der so abgekühlten optischen Faser stellt, dass das Abkühlen, welchem die Faser während ihrer Herstellung beim Ausgang des Faserziehofens und vor dem Hineingehen in die Verkleidungsvorrichtung ausgesetzt ist, in empfindlicher Weise den Grad der mit der Faser verknüpften Rayleigh-Streuung vergrößern kann und somit den größten Teil der Dämpfung vergrößert, welche die zur Benutzung bereite optische Faser aufweist. Nun aber ist bekannt, dass die Dämpfung der optischen Fasern bei benutzten Wellenlängen, seien sie nahe 1310 nm oder 1550 nm, so gering wie möglich sein sollte, um die Lichtsignale in der Faser bestmöglich zu übertragen.
Aus diesem Grund wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um Abkühlprofile zu definieren, welche durch bestimmte Verfahren und/oder Vorrichtungen erhalten werden und welche die Rayleigh-Streuung der Faser minimieren. Im Allgemeinen wird es vorgeschlagen, zumindest teilweise Profile der langsamen Abkühlung zu durchlaufen, d.h. langsamer als bei Umgebungsluft. Beispielsweise deutet die Patentanmeldung DE 3 713 029 A1 die Realisierung einer langsamen Abkühlung am Ausgang des Faserziehofens an.
Aber derartige Verfahren sind dahingehend nicht zufriedenstellend, dass sie es nicht erlauben, eine optimale Absenkung der Dämpfung zu erhalten, welche bezüglich der minimalen the oretischen Dämpfung ausreichend ist, ohne die mechanische Widerstandsfähigkeit der Faser zu verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Unannehmlichkeiten von Abkühlverfahren des Standes der Technik zu beheben, indem sie ein verbessertes Abkühlen einer optischen Faser im Verlauf des Faserziehens erlaubt. Sie hat insbesondere zum Ziel, verglichen mit Abkühlverfahren, welche im Stand der Technik bekannt sind, die Rayleigh-Streuung und somit die Dämpfung der durch ein Faserziehverfahren hergestellten Faser, welches das Verfahren zum Abkühlen gemäß der Erfindung benutzt, beizubehalten oder sogar wesentlich zu verringern, und die mechanische Widerstandsfähigkeit der Faser beizubehalten.
Hierzu betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abkühlen einer optischen Faser während eines Faserziehens durch in Kontakt bringen mit mindestens einem Abkühlfluid in mindestens einem Abschnitt des Abkühlens, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt der schnellen Abkühlung eine schnelle Abkühlung vorgenommen wird, d.h. eine weniger langsame Abkühlung als eine Abkühlung in Umgebungsluft, um von einer anfänglichen Temperatur der Faser zwischen 2000°C und 1500°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 450°C und 250°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 250°C und 175°C im Fall von Fasern auf Basis von Polymermaterial zu einer Endtemperatur der schnellen Abkühlung zwischen 1700°C und 1200°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 400°C und 200°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 225°C und 75°C im Fall von Fasern auf Basis von Polymermaterial zu gelangen, gefolgt von, in einem Abschnitt der langsamen Abkühlung, einer langsamen Abkühlung, d.h. einer langsameren Abkühlung als eine Abkühlung in Umgebungsluft, um von einer Anfangstemperatur der langsamen Abkühlung der Faser zwischen 1700°C und 1000°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 400°C und 150°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 225°C und 50°C im Fall von Fasern auf Basis von Polymermaterial zu einer Endtemperatur der langsamen Abkühlung der Faser zwischen 1500°C und 700°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 350°C und 25°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 200°C und 25°C im Fall von Fasern basierend auf Polymermaterial zu gelangen, und dass die anfängliche Temperatur höher ist als die Endtemperatur der schnellen Abkühlung und die Anfangstemperatur der langsamen Abkühlung höher ist als die Endtemperatur der langsamen Abkühlung und die Endtemperatur der schnellen Abkühlung höher als die oder gleich der Anfangstemperatur der langsamen Abkühlung ist.
Ein Übergangsabschnitt in Umgebungsluft kann zwischen dem Abschnitt der schnellen Abkühlung und dem Abschnitt der langsamen Abkühlung existieren, ohne dass dies verpflichtend wäre.
Die schnelle Abkühlung des Abschnitts der schnellen Abkühlung ist mindestens genauso schnell, bevorzugt streng schneller, als eine Abkühlung bei Umgebungsluft. In anderen Worten weist die momentane Steigung der schnellen Abkühlung, dT/dt, wobei T die Temperatur der Faser und t die Zeit ist, einen höheren Wert für ein derartiges Abkühlen als die momentane Steigung für eine Abkühlung der Faser, die in Umgebungsluft gelassen wird, auf. Die momentanen Steigung hat einen höheren Wert für eine derartige Abkühlung als die momentane Steigung für eine Abkühlung der Faser, welche in Umgebungsluft gelassen wird, bevorzugt im Mittel über den Abschnitt der schnellen Abkühlung, bevorzugter in dem größten Teil des Abschnitts der schnellen Abkühlung und in noch bevorzugter Weise in im Wesentlichen den gesamten Abschnitt der schnellen Abkühlung.
Die langsame Abkühlung des Abschnitts der langsamen Abkühlung ist zumindest genauso langsam, bevorzugt streng langsamer, als ein Abkühlen in Umgebungsluft. In anderen Worten weist die momentane Steigung der langsamen Abkühlung, dT/dt, wobei T die Temperatur der Faser und t die Zeit ist, für eine derartige Abkühlung einen niedrigeren Wert auf als die momentane Steigung für ein Abkühlen der Faser, welche in Umgebungsluft gelassen wird. Die momentane Steigung hat für eine derartige Abkühlung einen geringeren Wert als die momentane Steigung für ein Abkühlen der Faser, welche bei Umgebungsluft gelassen wird, bevorzugt im Mittel über den Abschnitt der langsamen Abkühlung, bevorzugter in dem größten Teil des Abschnitts der langsamen Abkühlung und in noch bevorzugterer Weise in im Wesentlichen dem gesamten Abschnitt der langsamen Abkühlung.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Profil der Temperatur jedes Abschnitts der Abkühlung in einer Weise festgelegt, dass die fiktive Temperatur der Hülle (T_fg) so hoch wie möglich und die fiktive Temperatur des Kerns (T_fc) so gering wie möglich ist.
Vorteilhafterweise erlaubt es ein derartiges Ausführungsbeispiel, während des Abkühlens die Dämpfung der Faser beizubehalten, wobei gleichzeitig die mechanische Widerstandsfähigkeit der Faser, welche durch ein Faserziehen hergestellt wird, welches das Verfahren zum Abkühlen gemäß der Erfindung benutzt, verbessert wird. Die mechanische Widerstandsfähigkeit ist durch eine Norm Bellcore CR 20 Ausgabe 2/1998 definiert, welche sich auf den Bruch von 50% der verkleideten optischen Fasern stützt, welche einer longitudinalen Verlänge rung unterworfen werden, mit einer statistischen Verteilung der so getesteten Fasern unter Benutzung des statistischen Gesetztes von Weibull.
Die Begriffe Hülle und Kern sind dem Fachmann bekannt. Der Kern entspricht dem Teil, in welchem sich zumindest ungefähr 50% der Lichtenergie fortpflanzt, d.h. dem zentralen Teil der optischen Fasern. Klassischerweise nennt man den Teil Hülle, welcher sich bis zu einem Durchmesser von 125 μm erstreckt, d.h. den Randteil der optischen Faser komplementär zum Kern. Was uns hier interessiert ist der Teil der Hülle am Rand hiervon, welcher einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die mechanische Widerstandsfähigkeit der optischen Fasern hat. Es wird von der fiktiven Temperatur der Hülle geredet. Beispielsweise wird im Fall einer optischen Faser, welche ausgehend von einer primären Vorform realisiert wird, welche durch ein Verfahren vom MCVD-Typ (Akronym von „Modified Chemical Vapor Deposition"), wiederaufgeladen durch Plasmaabscheidung, realisiert wird, mit der fiktiven Temperatur der Wiederaufladung geurteilt.
Die fiktive Temperatur ist ein Begriff, welcher kürzlich auf dem Gebiet der Gläser eingeführt wurde, um ihr Verhalten besser zu verstehen. Die fiktive Temperatur bringt die thermische Vorgeschichte einer gegebenenfalls dotierten gegebenen Quarzzusammensetzung für eine gegebene Eigenschaft p zur Geltung. Dieser Begriff kann auf optische Fasern, insbesondere auf den Verlauf des Faserziehens, angewendet werden. Derzeit misst man sie indirekt an dem Material durch Infrarot- oder Raman-Analyse. In der vorliegenden Anmeldung sprechen wir von der mit der Rayleigh-Streuung verknüpften fiktiven Temperatur. Während des Faserziehens verkleinert sich für die Zusammensetzung die fiktive Temperatur kontinuierlich abhängig von dem Profil des Abkühlens, dem sie unterworfen ist, für eine gegebene Zusammensetzung, und sie nimmt einen konstanten Wert an, wenn die Temperatur des Harzes viel kleiner als seine Glasübergangstemperatur ist.
Die fiktive Temperatur war der Gegenstand einer Vielzahl von Studien. Wir beziehen uns hier auf die Studie von G. W. Scherer, „Relaxation in glass and composites", Krieger Publishing, 1992, in Verbindung mit den Studien von C. T. Moynihan, „Phenomenology of the Structural Relaxation Process and the Glass Transition", Assignment of Glass Transition, ATM STP 1249, ed. Rmerican Society for testing and materials, 1994, Seiten 32–49, und von O. S. Narayanaswamy, Journal of the American Ceramics Society, 1971, 54(10), Seiten 491–498. Ausgehend von diesen Studien hat es eine Programmierung erlaubt, die Berechnungen der fiktiven Temperatur ausgehend von den Eigenschaften der Relaxation des Glases mit gegebener Zusammensetzung zu simulieren. Die Simulationen wurden mit experimentellen Resultaten auf Basis von Messungen der Dämpfung und der mechanischen Widerstandsfähigkeit der wiedererwärmten und gemäß verschiedenen Abkühlbedingungen gehärteten Fasern korreliert.
Aufgrund der Tatsache, dass der Kern der hauptsächlich führende Teil der optischen Faser ist, ist die Dämpfung der optischen Faser, welche durch ein Faserziehverfahren erhalten wurde, während dem das Verfahren zum Abkühlen gemäß der Erfindung realisiert wurde, natürlicherweise mit der fiktiven Temperatur des Kerns der Faser verbunden. Aufgrund von Oberflächeneffekten an der Oberfläche der optischen Faser ist der mechanische Widerstand der optischen Faser, welche durch ein Faserziehverfahren erhalten wurde, während dem das Verfahren zum Abkühlen gemäß der Erfindung realisiert wurde, natürli cherweise mit der fiktiven Temperatur der Hülle der Faser verbunden. Die Bewerkstelligung des Verfahrens gemäß der Erfindung führt somit zu einem Kompromiss, welcher zwischen der Optimierung der fiktiven Temperatur des Kerns der Faser und die Optimierung der fiktiven Temperatur der Hülle der Faser zu finden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit vorteilhafterweise, zwei wichtige Parameter der optischen Faser, welche durch ein Faserziehverfahren erhalten wird, während dem sie zu der Abkühlvorrichtung gegangen ist, praktisch steuern zu können, nämlich die Dämpfung und den mechanischen Widerstand. Es wurde in der Tat festgestellt, dass das Profil der schnellen Abkühlung wie gemäß der Erfindung realisiert die Dämpfung der optischen Faser praktisch nicht beeinflusst.
Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass es an ökonomische Zwänge angepasst ist, welche die Höhe des Turms begrenzen, welcher für die Abkühlung verfügbar ist, und welche es bewirken, dass auf erhöhte Faserziehgeschwindigkeiten zurückgegriffen wird. In der Tat erlaubt es das Vorhandensein eines Abschnitts der schnellen Abkühlung, hinsichtlich der Höhe des Faserziehturms und/oder der Faserziehgeschwindigkeit zu gewinnen und den Abschnitt der langsamen Abkühlung zu vergrößern, d.h. die Dämpfung zu verbessern. Auf der anderen Seite erlaubt es ein derartiger Abschnitt vorteilhafterweise, die Eingangstemperatur der Faser in den Abschnitt der langsamen Abkühlung unabhängig von der Faserziehgeschwindigkeit zu steuern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Profil der schnellen Abkühlung in einer Weise eingestellt, dass die fiktive Temperatur der Hülle so hoch wie möglich ist, wobei das Profil der langsamen Abkühlung in einer Weise ausgewählt ist, dass die fiktive Temperatur des Kerns so niedrig wie möglich ist. So ist es möglich, über ein Mittel zur Bewerkstelligung des gegebenen Profils der langsamen Abkühlung zu verfügen, dieses in dem Faserziehturm zu positionieren, in welchem das Faserziehen realisiert wird, in einer Weise, die fiktive Temperatur des Kern zu minimieren, und dann das Mittel zur Bewerkstelligung des Profils der schnellen Abkühlung zu definieren und dieses in einer Weise in dem Faserziehturm zu positionieren, dass die fiktive Temperatur der Hülle maximiert wird. Wenn bevorzugt wird, an erster Stelle die Dämpfung zu beherrschen, und in Abhängigkeit von dieser Beherrschung einen maximalen Wert des mechanischen Widerstands zu realisieren, wird man so vorgehen. Dies wird am häufigsten der Fall sein.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Profil der langsamen Abkühlung in einer Weise eingestellt, dass die fiktive Temperatur des Kerns so gering wie möglich ist, wobei das Profil der schnellen Abkühlung in einer Weise gewählt ist, dass die fiktive Temperatur der Hülle so hoch wie möglich ist. So ist es möglich, über ein Mittel zur Bewerkstelligung des gegebenen Profils der schnellen Abkühlung zu verfügen, dieses in dem Faserziehturm, in dem das Faserziehen realisiert wird, in einer Weise zu positionieren, dass die fiktive Temperatur der Hülle maximiert wird, dann das Mittel zur Bewerkstelligung des Profils der langsamen Abkühlung zu definieren und dieses in einer Weise in dem Faserziehturm zu positionieren, dass die fiktive Temperatur des Kerns minimiert wird. Wenn bevorzugt wird, an erster Stelle die mechanische Widerstandsfähigkeit zu beherrschen, und in Funktion dieser Beherrschung einen minimalen Wert der Dämpfung zu bewerkstelligen, wird man so vorgehen.
Im Allgemeinen ist die anfängliche Temperatur der Faser am Eingang des Abschnitts der schnellen Abkühlung ungefähr gleich der Temperatur der Faser am Ausgang des Faserziehofens. Die Temperatur der Faser am Ausgang der Zone der schnellen Abkühlung, wie es vorstehend erklärt wurde, hängt von der Zusammensetzung der Hülle ab und wird ausgehend von der fiktiven Temperatur der Hülle festgesetzt, welche man zu erhalten wünscht.
Im Allgemeinen hängen die anfängliche Temperatur der Faser am Eingang des Abschnitts der langsamen Abkühlung und die Temperatur der Faser am Ausgang des Abschnitts der langsamen Abkühlung wie dies vorstehend erklärt wurde beide von der Zusammensetzung des Kerns ab und werden ausgehend von der fiktiven Temperatur des Kerns, welche man zu erhalten wünscht, festgelegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren derart, dass eine zusätzliche schnelle Abkühlung in einem zweiten Abschnitt der schnellen Abkühlung folgend der langsamen Abkühlung vorgenommen wird.
Vorteilhafterweise ermöglicht es eine derartige zusätzliche schnelle Abkühlung, die Temperatur der Faser zu der Eingangstemperatur in den Abschnitt der Beschichtung hinzuführen, ohne insofern die mechanischen und optischen Eigenschaften der Faser zu verschlechtern.
Obgleich für Fasern aus Quarzglas dargestellt, ist die vorliegende Erfindung ebenso auf andere Kategorien von Fasern, welche vorstehend beschrieben wurden, anwendbar, wobei die Temperaturbereiche als Folge angepasst werden, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Das Abkühlfluid wird beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt, welche durch Luft, Argon, Stickstoff, Kohlendioxid und Helium gebildet wird. In bevorzugter Weise ist das Abkühlfluid aus Helium, gegebenenfalls gemischt mit Stickstoff.
Die Erfindung betrifft schließlich eine Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend zumindest eine Vorrichtung der gegebenen schnellen Abkühlung und eine Vorrichtung der gegebenen langsamen Abkühlung.
Die Erfindung wird besser verstanden werden und andere Eigenschaften und Vorteile werden sich aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung, welche als nicht einschränkend gegeben wird, unter Bezugnahme auf 1–5 ergeben.
1 stellt eine schematische Ansicht einer Faserziehvorrichtung dar, welche eine Vorrichtung zum Abkühlen der optischen Faser gemäß dem Stand der Technik enthält.
2 stellt eine schematische Ansicht einer Faserziehvorrichtung dar, welche eine Vorrichtung zur Abkühlung der optischen Faser enthält.
3 stellt einige Abkühlkurven in einer Faserziehvorrichtung gemäß dem Stand der Technik dar.
4 stellt die fiktive Temperatur des Kerns der Faser 7, auf der Ordinate und in °C, in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur, auf der Abszisse und in °C, in der Vorrichtung 11 des langsamen Abkühlens innerhalb derselben Faserziehvorrichtung wie derjenigen der 2 dar.
5 stellt die Abkühlkurve, welcher schlussendlich die Faser gemäß dem Verfahren der Erfindung unterworfen wird, dar.
Die 1 wurde vorstehend in Bezug auf den Stand der Technik beschrieben. Der Faserziehturm 1 umfasst einen Faserziehofen 3, eine Abkühlvorrichtung 4 gemäß dem Stand der Technik, eine Verkleidungsvorrichtung 5, eine Winde 6 und eine Aufwickelspule 9.
Die 2 stellt einen Faserziehturm 1' dar, welcher alle Elemente der 1 mit Ausnahme der Abkühlvorrichtung 12, welche gemäß dem Verfahren der Erfindung ausgestaltet ist, aufgreift. Die Abkühlvorrichtung 12 umfasst eine erste Vorrichtung 10 der schnellen Abkühlung, welche einen Abschnitt 100 der schnellen Abkühlung definiert, und eine zweite Vorrichtung 11 der langsamen Abkühlung, welche einen Abschnitt 101 der langsamen Abkühlung definiert. Die zwei Vorrichtungen sind übereinander angeordnet und begrenzen so einen Übergangsabschnitt 105 der Höhe h. Die Höhe h kann irgendeinen Wert annehmen.
Gemäß einer in 2 gestrichelt dargestellten Abwandlung umfasst die Abkühlvorrichtung zusätzlich eine Röhre 13 der schnellen Abkühlung, welche einen Abschnitt 102 der schnellen Abkühlung definiert. Das Vorhandensein der Röhre 13 kann sich beispielsweise aufgrund des ausreichenden Raums zum Abkühlen der Faser 7 in Umgebungsluft zwischen dem Ausgang der Vorrichtung 11 der langsamen Abkühlung und dem Eingang der Verkleidungsvorrichtung 5 als nicht notwendig erweisen. Umgekehrt kann sich das Vorhandensein einer Vorrichtung der schnellen Abkühlung wie der Röhre 13 als nötig erweisen, damit die Faser 7 in dem verfügbaren Raum die Temperatur des Eingangs in die Verkleidungsvorrichtung 5 erreicht. An diesem Punkt kann die Vorrichtung 13 praktisch nicht auf die mechanischen und/oder optischen Eigenschaften der verkleideten Faser 8, welche aus der Faser 7 hervorgeht, einwirken, da die verschiedenen Bestandteile der Faser 7 am Ausgang der Vorrichtung 11 der langsamen Abkühlung hinreichend erstarrt sind.
Das folgende Beispiel illustriert ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, ohne im Übrigen die Reichweite zu begrenzen.
Beispiel
3 stellt einige Abkühlkurven für die optische Faser innerhalb einer Faserziehvorrichtung gemäß dem Stand der Technik dar, welche verglichen mit der in 2 dargestellten Vorrichtung die Vorrichtungen 10 und 13 nicht enthält. Die Temperatur am Ausgang des Faserziehofens 3 beträgt 1800°C, die Gesamthöhe zwischen dem Faserziehofen 3 und der Verkleidungsvorrichtung 5 beträgt 9 m, und die Faserziehgeschwindigkeit beträgt 900 m/min. So ist der Fall gemäß dem Stand der Technik dargestellt, bei welchem nur eine Vorrichtung 11 der langsamen Abkühlung am Ausgang des Faserziehofens 3 vorliegt. Man verfügt über eine Vorrichtung 11 des Aufheizens einer Länge von 5 m mit einer gegebenen Effizienz. Auf der Abszisse ist der Punkt z in Metern von der Unterseite des Faserziehofens 3 (siehe 2) gegeben, und auf der Ordinate ist die Temperatur T der Faser in °C gegeben. Die Gleichung der kontinuierlichen Teile der Abkühlkurven ist von der Art: T(°C) – T0 = (Te – T0)·exp(–α*z),wobei z der Punkt in Metern und wobei α, T_e und T₀ Relaxationsparameter des Glases sind. Mehrere Kurven sind gegeben, 31, 32 bzw. 33, für Eingangstemperaturen in die Vorrichtung 11 der Erwärmung T₁₁ gleich 1660°C, 1400°C bzw. 1170°C. Eine Vergleichskurve 30 der einfachen Abkühlung in Luft ohne irgendeine Vorrichtung 10, 11 oder 13 zur Abkühlung zwischen dem Faserziehofen 3 und der Verkleidungsvorrichtung 5 ist gegeben.
In Verbindung mit 3 stellt 4 die fiktive Temperatur des Kerns der Faser 7, T_fc, auf der Ordinate und in °C, in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur T₁₁, in °C, in die Vorrichtung 11 der langsamen Abkühlung im Inneren derselben Faserziehvorrichtung wie der der 3 dar. Es ist somit zu sehen, dass es einen optimalen Wert der Eingangstemperatur T₁₁ gleich ungefähr 1400°C gibt, für welche die fiktive Temperatur des Kerns der Faser 7, T_fc, minimal ist, gleich ungefähr 1202°C. Die schlussendliche Position der Vorrichtung 11 in dem Faserziehturm 1' wird somit durch diese minimale Eingangstemperatur bestimmt. Für diesen Wert ist die fiktive Temperatur der Hülle, T_fg, ungefähr 1423°C.
Man verfügt dann über eine Vorrichtung 10 des schnellen Abkühlens einer Länge von 20 cm und gegebener Effizienz, welche in dem Faserziehturm 1' zwischen dem Faserziehofen 3 und der Vorrichtung 11 in einer Weise angeordnet wird, eine Faserziehvorrichtung gemäß der 2 ohne die Vorrichtung 13 zu realisieren. Die Vorrichtung 10 wird in einer Weise eingestellt, dass man ein Maximum hinsichtlich der fiktiven Temperatur der Hülle, T_fg, bei 1440°C erhält, wobei die Eingangstemperatur in die Vorrichtung der langsamen Abkühlung bei T₁₁ beibehalten wird. Es wird dann die fiktive Temperatur des Kerns T_fc berechnet, welche immer gleich ungefähr 1202°C ist.
Als Beispiel ergibt ein einfaches Abkühlen in Luft, welches in der Kurve 30 der 3 dargestellt ist, eine fiktive Tem peratur des Kerns T_fc gleich ungefähr 1259°C und eine Temperatur der Hülle T_fg gleich ungefähr 1480°C.
5 stellt die Kurve 50 der Abkühlung dar, welche schlussendlich gemäß dem Verfahren der Erfindung auf die Faser wirkt. Die Kurven 30 und 32 (siehe 3) wurden zur Orientierung dargestellt. Man unterscheidet die schnelle Abkühlung 10, Kurve 50e, gefolgt von der langsamen Abkühlung 11, Kurve 50d, dann eine Abkühlung in Umgebungsluft, 50c, welche bis zur Verkleidungsvorrichtung 5, Kurve 50a, abläuft, oder welche sich auch zu einer schnellen Abkühlung 13, Kurve 50b, bis zu der Vorrichtung 5 verlängert.
Die von dem Faserziehturm 1' ausgegebene und einem Abkühlschritt gemäß der Erfindung, welcher eine schnelle Abkühlung 10 gefolgt von einer langsamen Abkühlung 11 umfasst, unterworfene verkleidete optische Faser 8 weist somit verbesserte Eigenschaften auf, hauptsächlich hinsichtlich der mechanischen Widerstandsfähigkeit, welche von 1 bis 10% verglichen mit einer unter den Bedingungen des Standes der Technik realisierten Faser verbessert ist, wobei ein Grad der Dämpfung kleiner als 0,005 dB/km zu einer Abkühlung in Luft beibehalten wird.
Selbstverständlich beschränkt sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die oben beschriebenen Darstellungen. Insbesondere ist es möglich, die Vorrichtung 12 der Abkühlung zwischen die Unterseite des Faserziehofens 3 und die Oberseite der Verkleidungsvorrichtung 5 an jedem Punkt unterhalb des Faserziehofens 3 zu positionieren, so dass jeweilig die fiktive Temperatur des Kerns T_fc minimiert wird und die fiktive Temperatur der Hülle T_fg maximiert wird.

Claims

Verfahren zum Abkühlen einer optischen Faser (7) während eines Faserziehens durch in Kontakt bringen mit mindestens einem Abkühlfluid in mindestens einem Abschnitt des Abkühlens (10, 11, 13), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt (100) der schnellen Abkühlung eine schnelle Abkühlung (10) vorgenommen wird, das heißt eine weniger langsame Abkühlung als eine Abkühlung in Umgebungsluft, um von einer anfänglichen Temperatur der Faser (7) zwischen 2000°C und 1500°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 450°C und 250°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 250°C und 175°C im Fall von Fasern auf Basis von Polymermaterial zu einer Endtemperatur der schnellen Abkühlung (10) zwischen 1700°C und 1200°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 400°C und 200°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 225°C und 75°C im Fall von Fasern auf Basis von Polymermaterial zu gelangen, gefolgt von, in einem Abschnitt (101) der langsamen Abkühlung, einer langsamen Abkühlung (11), das heißt einer langsameren Abkühlung als eine Abkühlung in Umgebungsluft, um von einer Anfangstemperatur der langsamen Abkühlung (11) der Faser (7) zwischen 1700°C und 1000°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 400°C und 150°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 225°C und 50°C im Fall von Fasern auf Basis von Polymermaterial zu einer Endtemperatur der langsamen Abkühlung (11) der Faser (7) zwischen 1500°C und 700°C für Fasern auf Basis von Quarzglas, zwischen 350°C und 25°C für Fasern auf Basis von Fluoridglas und zwischen 200°C und 25°C im Fall von Fasern basierend auf Polymermaterial zu gelangen, und die anfängliche Temperatur höher ist als die Endtemperatur der schnellen Abkühlung (1) und die Anfangstemperatur der langsamen Abkühlung (11) höher ist als die End temperatur der langsamen Abkühlung (11) und die Endtemperatur der schnellen Abkühlung (10) höher als die oder gleich der Anfangstemperatur der langsamen Abkühlung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 derart, dass das Profil der Temperatur jedes Abschnitts (10, 11) in einer Weise festgelegt wird, dass die fiktive Temperatur der Hülle (T_fg) so hoch wie möglich ist und die fiktive Temperatur des Kerns (T_fc) so gering wie möglich ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 derart, dass das Profil der schnellen Abkühlung (10) in einer Weise eingestellt wird, dass die fiktive Temperatur der Hülle (T_fg) so hoch wie möglich ist, wobei das Profil der langsamen Abkühlung (11) in einer Weise gewählt ist, dass die fiktive Temperatur des Kerns (T_fc) so gering wie möglich ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 derart, dass das Profil der langsamen Abkühlung (11) in einer Weise eingestellt wird, dass die fiktive Temperatur des Kerns (T_fc) so gering wie möglich ist, wobei das Profil der schnellen Abkühlung (10) in einer Weise gewählt ist, dass die fiktive Temperatur der Hülle (T_fg) so hoch wie möglich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4 derart, dass eine zusätzliche schnelle Abkühlung (13) in einem zweiten Abschnitt (102) der schnellen Abkühlung folgend der langsamen Abkühlung (11) vorgenommen wird.