DE60221441T2

DE60221441T2 - Verfahren zur herstellung von einer mikrostrukturierten optischen faser

Info

Publication number: DE60221441T2
Application number: DE60221441T
Authority: DE
Inventors: Marco Arimondi; Andrea Macchetta; Daniela Asnaghi; Anna Castaldo
Original assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: ATE426502T1; DE60221441D1; US7212716B2; EP1494847A1; DE60231761D1; EP1494847B1; AU2002302539A1; US20050286847A1; EP1741546B1; EP1741546A3; ATE367914T1; EP1741546A2; WO2003086738A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten optischen Faser und auf ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Zwischenvorform, die in einem solchen Verfahren verwendet wird.
Optische Fasern werden verwendet, um Licht von einer Stelle zu einer anderen zu übertragen. Normalerweise werden optische Fasern aus mehr als einem Material hergestellt. Ein erstes Material wird verwendet, um einen mittleren Licht tragenden Teil der Faser zu bilden, der als Kern bekannt ist, während ein zweites Material das erste Material umgibt, und einen Teil der Faser bildet, der als die Ummantelung bekannt ist. Licht kann durch totale interne Reflexion an der Kern/Ummantelungs-Grenzfläche im Kern eingefangen werden.
Eine neuere Art von faseroptischem Wellenleiter mit einer von herkömmlichen optischen Fasern grundlegend verschiedenen Struktur ist die mikrostrukturierte Faser (auch als „photonische Kristallfaser" oder „löchrige Faser" bekannt). Eine mikrostrukturierte optische Faser ist eine Faser, die aus einem selben homogenen Material (typischerweise Silica) beseht, welches im Inneren eine Mikrostruktur (d.h. eine Struktur der Größenordnung der optischen Wellenlänge) besitzt, die von mikrostrukturellen Elementen gebildet wird, welche sich in Längsrichtung entlang der Faser erstrecken und eine vorbestimmte Verteilung besitzen. Als mikrostrukturelles Element kann ein Mikroloch oder ein filiformes (dünnes) Element aus einem vom Hauptteil des Materials verschiedenen Material genannt werden.
Die verbreitetste Art von mikrostrukturierten optischen Fasern besitzt einen Ummantelungsbereich, der eine Vielzahl von gleich beabstandeten winzigen Löchern aufweist, die einen homogenen und gleichförmigen mittleren (Kern-Bereich) umgeben.
Eine Faser dieser Art ist z.B. in der internationalen Patentanmeldung WO 99/00685 beschrieben. In einer anderen Ausführungsform kann der mittlere Bereich der Faser ein mittiges Loch besitzen, wie es z.B. in der internationalen Patentanmeldung WO 00/60388 beschrieben ist.
Diese beiden Arten von Fasern leiten Licht im Kern entsprechend unterschiedlichen optischen Phänomenen.
In Abwesenheit eines mittigen Loches ist die Ausbreitung des Lichts im Ummantelungsbereich aufgrund des Vorhandenseins einer Verringerung des durchschnittlichen Brechungsindex in Bezug auf den Kernbereich verboten. Solch eine Struktur bildet einen verlustarmen vollständig aus Silica bestehenden optischen Wellenleiter der mit geeigneten Parametern für alle Wellenlängen im Transmissionsfenster des Silica ein Einmoden-Wellenleiter (single-mode) bleibt. Der Wellenleitungsmechanismus ist in diesem Fall eng mit dem in herkömmlichen optischen Fasern verwandt und ist eine Form der totalen internen Reflexion zwischen zwei Materialien (Luft und Silica) mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
Um in einem mittigen Loch die Lichtausbreitung zu erzielen, wird der „photonische Bandlücken"-Effekt ausgenutzt, der durch das Vorhandensein eines periodischen Arrays von Löchern im Ummantelungsbereich induziert wird. Das „photonische Bandlücken"-Phänomen, das der aus der Festkörperphysik bekannten „elektronischen Bandlücke" analog ist, verhindert, dass sich Licht gewisser Frequenzen in dem von dem Löcher-Array belegten Gebiet ausbreitet, und dieses Licht wird daher auf den Kernbereich begrenzt. Die Ausbreitung von Licht in Fasern, die eine photonische Bandlücke aufweisen, ist z.B. in der bereits zitierten WO 00/60388 beschrieben.
Die optischen Eigenschaften der oben beschriebenen mikrostrukturierten Fasern hängen von der Zahl der Löcher, dem Lochdurchmesser, dem Abstand zwischen benachbarten Löchern und dem geometrischen Muster der Löcher ab. Da jeder dieser Parameter weit variieren kann, können Fasern von sehr unterschiedlichen Charakteristiken konzipiert werden.
Es ist gezeigt worden, dass durch geeignetes Einstellen des Verhältnisses zwischen Lochdurchmesser d und Lochabstand A ein Einmoden- oder Wenig-Moden-Verhalten (single mode oder few mode behaviour) über einen weiten Wellenlängenbereich erhalten werden kann.
Mikrostrukturierte optische Fasern werden typischerweise durch das sogenannte „stack-and-draw"-Verfahren hergesellt, bei dem eine Anzahl von festen und hohlen Stäben in einem hohlen Glaszylinder gestapelt werden, um so ein Array mit derselben Struktur wie die endgültige Faser zu bilden. Die gestapelten Stäbe werden dann miteinander verschweißt und die so erhaltene Vorform wird durch herkömmliche Verfahren gezogen und erzeugt so die Faser.
In der US-5,802,236 A sind z.B. ein Kernelement (z.B. ein Silica-Stab) und eine Vielzahl von Kapillarröhrchen (z.B. Silicaröhrchen) bereitgestellt, und die Kapillarröhrchen werden als Bündel angeordnet, wobei sich das Kernelement typischerweise in der Mitte des Bündels befindet. Das Bündel wird von einem oder mehreren Ummantelungsrohren (overclad tubes) zusammengehalten, die auf das Bündel kollabiert werden. Die Faser wird dann aus der so vorbereiteten Vorform gezogen.
Der Anmelder hat bemerkt, dass das stack-and-draw-Herstellungsverfahren mehrere Nachteile besitzt.
Das Zusammenbauen einer großer Anzahl von sehr dünnen Rohren (die von den Stäben oder Röhrchen definiert werden) ist ein schwieriger Vorgang. Auch ist es wahrscheinlich, dass aufgrund der Stapelung und des Ziehens der zylindrischen Rohre interstitielle Hohlräume erzeugt werden. Dies kann die Faserabschwächung dramatisch beeinflussen, indem Verunreinigungen und unerwünschte Grenzflächen eingeführt und eine Umformung oder Verformung der anfänglichen Löcher induziert wird. Andere Probleme des stack-and-draw-Verfahrens können von der geringen Reinheit der Röhrchen- und/oder Stabmaterialien und von den Schwierigkeiten bei der Herstellung von Röhrchen und/oder Stäben der notwendigen Formen (insbesondere im Fall von hexagonalen Körpern) und Abmessungen sowie beim Erhalten des erforderlichen Lochmusters (beispielsweise aufgrund der Schwierigkeit bei der Realisierung von Geometrien, die von der dreieckigen verschieden sind, wenn die Stäbe und Röhrchen in einer eng gepackten Anordnung positioniert werden) dargestellt werden. Darüer hinaus machen die relativ geringe Produktivität und die hohen Kosten dieses Verfahren weniger als optimal für die industrielle Produktion.
Der Anmelder bemerkt weiter, dass das stack-and-draw-Verfahren zur Herstellung einer löchrigen optischen Faser den Nachteil besitzt, dass die Löcher- und die Kernabmessungen in der endgültigen Faser durch den Innen- und Außendurchmesser der im Aufbau verwendeten Röhrchen und Stäbe begrenzt ist.
Als vielversprechende Alternative zu Glasfasern sind die polymerischen optischen Fasern (POFs) bekannt, und zwar insbesondere für Anwendungen auf kurze Distanz, im Hinblick auf ihre Kosten, die Leichtigkeit, sie mit Verbindern zu versehen, und ihre Flexibilität. Gewöhnliche Polymerfasern besitzen einen relativ großen Kern. Dies veranlasst die Fasern, eine sehr hohe Zahl von transversalen Moden zu führen, mit wesentlichen Beschränkungen der zur Verfügung stehenden Bandbreite.
Jüngst wurde eine Anzahl von Arbeiten präsentiert, die mikrostrukturierte Polymerfasern betreffen.
M. A. van Eijkelenborg et al., Microstructured Polymer Optical Fibre, Optics Express, Band 9, Nr. 7, 24. September 2001, Seiten 319–327, offenbaren eine polymerbasierte mikrostrukturierte Faser, die bei optischen Wellenlängen einmodig (single-moded) ist. Laut den Autoren können zusätzlich zur kapillaren Stapelungstechnik Polymervorformen unter Verwendung von Techniken wie z.B. Extrusion, Polymergießen, Polymerisierung in einer Form und Spritzgießen hergestellt werden. Verschiedene Querschnitte der Vorform sowie Löcher beliebiger Formen und Abmessungen können in jeder erwünschten Anordnung erhalten werden. Eine große Vielfalt von Polymeren ist für mikrostrukturierte polymerische optische Fasern erhältlich, inklusive Kondensationspolymere, katalytisch geformte Polymere, Biopolymere, Sol-Gel-Polymere und Chain-Addition-Polymere.
Die Veröffentlichung offenbart keine Details des Herstellungsprozesses der Vorform. Die Autoren erwähnten während eines mündlichen Post-Deadline-Vortrags auf der POF 2001-Konferenz in Amsterdam, NL, 27.-30.09.2001 die Technik des Umgießens von Kunststoffkapillaren, welches die niedrigen Verarbeitungstemperaturen der Polymere ausnutzt.
In J. Choi, D.Y. Kim, U.C. Paek, Fabrication and Properties of Polymer Photonic Chrystal Fibers, Proceedings POF2001, Amsterdam, NL, 27.-30.09.2007, Seiten 355–360 ist beschrieben, dass polymerische photonische Kristallfasern aus einer Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Vorform gezogen wurden. Die Faser bestand aus einem Kern aus reinem PMMA, der von einem photonischen Kristallmuster mit Luftlöchern einer hexagonalen Symmetrie umgeben war, das entlang der Länge der Faser verläuft. Zur Herstellung der Vorformen wird die thermische Polymerisation des Methylmethacrylats (MMA) durchgeführt. Sobald die Polymerisation vollendet ist, wird zwölf Stunden lang ein Alterungsprozess in einem Vakuumofen unter verringertem Druck durchgeführt, dann wird die Temperatur langsam auf Raumtemperatur verringert. Eine Faser wird dann in einem Ziehturm gezogen, während der Ofen auf eine Temperatur von 270°C eingestellt wird. Es zeigt sich eine resultierende polymerische photonische Kristallfaser, die einen Durchmesser von 190 μm mit einem Luftlochdurchmesser von ungefähr 11 μm und einem Kerndurchmesser von 25 μm aufweist.
Diese Veröffentlichung offenbart keine Details darüber, wie das hexagonale Lochmuster in die Faservorform eingebracht wird.
Die JP 6-67040 auf den Namen der Furukawa Electric Co. offenbart die Herstellung einer optischen Kunststofffaser mit hohlem Kern für endoskopische Anwendungen. Eine hohle Vorform zum Ziehen einer solchen Faser wird hergestellt, indem ein thermoplastisches Kunstharz in eine zylindrische Form eingefüllt wird, die mit einem Boden und einem koaxial aus dem Boden der Vorform herausstehenden zylindrischen Kern versehen ist. In einer anderen Ausführungsform wird der zylindrische Kern als von der zylindrischen Form separater Körper hergestellt und wird abnehmbar am Boden der Form angebracht. In den berichteten Beispielen besaß der zylindrische Kern einen Durchmesser zwischen 9,5 und 10 mm und wurde mit einem Polytetrafluorethylenschlauch beschichtet, sodass sich ein Lochdurchmesser zwischen 11 und 13 mm für die Vorformen ergab. In den gezogenen Fasern mit hohlem Kern betrug der Durchmesser des hohlen Kerns zwischen 470 und 530 μm. Die US-A-5 935 491 offenbart ein Verfahren zur Herstellung photonischer Vorrichtungen.
Der Anmelder hat eine andere Lösung für die Herstellung von polymerischen optischen Vorformen für mikrostrukturierte optische Fasern in Betracht gezogen, da die Notwendigkeit, Löcher mit einem relativ kleinen Durchmesser in der gezogenen Faser zu haben, auf den Einsatz von Lochdurchmessern für die Vorform hindrängt, die allgemein kleiner als 8 mm sind. Die in Betracht gezogene Lösung umfasst das Verwenden einer Form, in der eine Anzahl von parallele zylindrische Löcher erzeugenden Elementen wie z.B. Drähte, Stäbe oder Röhrchen am Boden der Form angebracht sind, und zwar an Positionen, die der Vielzahl der die Fasermikrostruktur ausmachenden Löcher entspricht. In diesem Fall wurde jedoch herausgefunden, dass die Entnahme der Vorform aus der Gussform aufgrund der bedeutenden Adhäsionskräfte, die sich zwischen dem Körper der Vorform und der Vielzahl der Loch erzeugenden Elemente entwickeln, besonders schwierig gemacht wird.
Der Anmelder hat eine Lösung für dieses Problem gefunden, die darin besteht, dass eine Gussform mit einer oberen und einer unteren Basis und ein Satz von Loch erzeugenden Elementen hergestellt wird, die lösbar an der oberen und der unteren Basis angebracht werden. Wenn diese Gussform verwendet wird, kann die Polymervorform mit den darin eingebetteten Loch erzeugenden Elementen aus dem Behälter der Gussform entnommen werden und dann können die Loch erzeugenden Elemente in einem separaten Schritt aus der Vorform entnommen werden, bevorzugt nacheinander.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Ausbilden einer Zwischenvorform für die Herstellung einer mikrostrukturierten optischen Faser, umfassend:

– Bereitstellen einer zylindrischen Form, die eine zentrale Achse definiert, wobei die Form eine zylindrische Behälterwand, einen ersten Boden und einen entfernbaren zweiten Boden umfasst;
– Anordnen einer Vielzahl von Loch erzeugenden Elementen in der Form, welche geeignet sind, die inneren strukturellen Elemente der Zwischenvorform zu definieren;
– Einführen eines flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers in die Form;
– Verfestigen des flüssigen Polymermaterials oder Polymervorläufers, um so einen festen zylindrischen Polymerkörper zu erhalten, der die Zwischenvorform definiert und in dem die Loch erzeugenden Elemente eingebettet sind, und zwar gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Loch erzeugenden Elemente sind am ersten und am zweiten Boden lösbar befestigt und umfassen mindestens ein Loch erzeugendes Element, das von der Zwischenvorform entfernbar ist, wobei das Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 weiter umfasst:

– Lösen der Loch erzeugenden Elemente aus dem ersten und zweiten Boden;
– Entfernen des zweiten Bodens aus der Form;
– Entfernen der zylindrischen Zwischenvorform zusammen mit den darin eingebetteten Loch erzeugenden Elementen aus der Form; und
– Entfernen des entfernbaren Loch erzeugenden Elements zum Ausbilden eines länglichen Lochs in der Zwischenvorform durch Ausüben einer Belastung auf das entfernbare Loch erzeugende Element.

Solch ein Verfahren ermöglicht eine vollständige Designfreiheit der Mikrostruktur und erzeugt keine unerwünschten Grenzflächen, die beim Stack-and-draw-Verfahren typisch sind. Darüber hinaus kann die Form von der äußeren Umgebung isoliert werden und sorgfältig durch Zirkulieren eines gefilterten Lösungsmittels gereinigt werden, sodass die Ursachen für optische Streuung verringert werden. Auch erlaubt die Verwendung eines flüssigen Polymervorläufers eine sorgfältige Reinigung und Filterung, was sich wiederum in einer geringeren Abschwächung niederschlägt. Des Weiteren ist der Aufbau der Form viel leichter und einfacher als das Stapeln der Rohre und erfordert viel weniger Elemente. Des Weiteren erlaubt das Befestigen der Loch erzeugenden Elemente sowohl an dem ersten als auch dem zweiten Boden, die an gegenüberliegenden Enden der Form positioniert sind, eine präzise und stabile Positionierung der Loch erzeugenden Elemente und eine präzise Positionierung der Löcher über die ganze Länge der optischen Vorform.
Des Weiteren hat der Anmelder bemerkt, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d der Löcher und dem Faserdurchmesser D für eine mikrostrukturierte Faser bevorzugt kleiner als 0,015 und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 sein sollte, um eine Einmoden- oder Wenig-Moden-Leitung über einen weiten Wellenlängenbereich der Faser zu erzielen. Da das Querschnittsverhältnis der Löcher und der Vorform in einer guten Näherung während des Ziehens der Faser konstant gehalten wird, würde für die Faservorform eine Gussform benötigt werden mit einem Verhältnis des Durchmessers der Loch erzeugenden Elemente zum inneren Formdurchmesser von weniger als 0,015. Dies würde zur Verwendung von dünnen Loch erzeugenden Elementen oder von großen Formen führen. Jedoch machen es zu kleine Abmessungen und Abstände der Löcher sehr schwierig, die Form zusammenzubauen und die Loch erzeugenden Elemente aus ihr zu entnehmen, während ein zu großer Formdurchmesser die Nachbearbeitung der Vorform komplizierter gestaltet und Inhomogenitäten im konsolidierten Kern erzeugen kann.
Der Anmelder hat beobachtet, dass diese Probleme von einem Verfahren vermieden werden können, das einen ersten Schritt umfasst, um eine mikrostrukturierte Kernvorform durch Verfestigung eines flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers in einer Form zu erzeugen, und einen oder mehrere darauffolgende Schritte umfasst, um die Abmessungen der Kernvorform zu verringern und sie zu umhüllen, d.h. ein neues Material um sie herum hinzuzufügen und so eine Faservorform mit den korrekten Abmessungsverhältnissen zu erzeugen.
Dementsprechend kann die Verarbeitung der verfestigten Kernvorform die folgenden Vorgänge umfassen:

– Strecken der Kernvorform und ihrer Löcher auf eine Abmessung, die kleiner als die anfängliche ist;
– Hinzufügen von neuem Material um die gestreckte Kernvorform, um das Verhältnis zwischen dem Loch- und dem Faserdurchmesser zu verringern;
– Wiederholen der beiden obigen Vorgänge, bis eine Vorform mit dem korrekten Verhältnis zwischen Loch- und Faserdurchmesser erhalten wird.

Das für die Verfestigung in einer Form und die Entnahme aus der Form angewandte Verfahren entfernt viele technische Nachteile des Stack-und-draw-Verfahrens, wie z.B. das Vorhandensein von unerwünschten, Verunreinigungen tragenden Grenzflächen, während es das mehrschrittige Streck- und Umhüllungsverfahren erlaubt, kleine Werte für das Verhältnis d/D mit Verwendung einfacher Formen zu erhalten.
Der Anmelder hat jedoch bemerkt, dass es in der Praxis schwierig ist, einen konstanten und reproduzierbaren Durchmesser für die aus dem Streckvorgang resultierende gestreckte Vorform zu erhalten. Eine Durchmesserschwankung entlang ein und derselben gestreckten Vorform kann die Qualität der optischen Vorformen, die von dem Verfahren hergestellt werden, bedeutend verringern und/oder zu einem großen Ausschuss führen, während eine Änderung des Durchmessers von einer gestreckten Vorform zur nächsten zur Notwendigkeit führt, den gestreckten Vorformen Material unterschiedlicher Dicke hinzuzufügen, um ein Zielverhältnis zwischen dem Loch- und dem Faserdurchmesser zu erreichen, wobei dies für jede einzelne Vorform einen komplizierten Schritt der Dickenbestimmung des neu hinzuzufügenden Materials erfordert.
Der Anmelder hat weiter bemerkt, dass die Kühlung, die dem Streckvorgang folgt, innere Spannungen erzeugen kann, welche bei nachfolgenden Operationen Schäden an der Vorform verursachen können. Dieser Effekt kann kompensiert werden, wenn die gestreckte Kernvorform wärmebehandelt wird (annealing), indem sie über ihre Glasübergangstemperatur Tg hinaus erhitzt wird und langsam abgekühlt wird.
Es wurde herausgefunden, dass der Wärmebehandlungsvorgang benutzt werden kann, um die gestreckte Vorform zu kalibrieren und dadurch eine Präzision des Durchmessers zu erzielen, die mit der Streckphase alleine nur schwer oder unmöglich zu erhalten ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer kalibrierten polymerischen Zwischenvorform zur Herstellung einer optischen Faser, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, umfasst die folgenden Schritte:

– Formen einer polymerischen Zwischenvorform von länglicher Form mit einer Elongationsachse, wobei das Polymer eine vorbestimmte Glasübergangstemperatur T_g besitzt.

Das Verfahren umfasst weiter das Kalibrieren der Zwischenvorform, wobei die Kalibrierung umfasst:

- Strecken der Zwischenvorform während einer Streckungszeitraums durch deren Erhitzen mit eines vorbestimmten Streckungstemperatur über Tg und Anwenden einer Zugbelastung auf die Zwischenvorform entlang ihrer Längsachse, um so ihre Dehnung entlang der Elongationsachse zu bewirken, wobei die Streckungstemperatur, die Zugbelastung und der Streckungszeitraum so gewählt werden, dass der Zwischenvorform eine viskoelastische Verformung aufgeprägt wird;
– Kühlen der Zwischenvorform auf eine Temperatur unterhalb von Tg während eines Kühlzeitraums, während die gestreckte Vorform unter Spannung gehalten wird, um so einen wesentlichen Abbau der viskoelastischen Verformung zu verhindern;
– Einsetzen der Zwischenvorform in ein Kalibrierungsrohr mit einer zylindrischen Innenform; und
– Erhitzen der polymerischen Zwischenvorform auf eine Kalibrationstemperatur oberhalb von T_g während eines Kalibrationszeitraums, der ausreichend ist, um einen wesentlichen Abbau der viskoelastischen Verformung zu erzielen.

Das oben genannte Herstellungsverfahren, insbesondere das Kalibrationsverfahren, kann mehrere gestreckte Vorformen aus einer einzigen polymerischen Kernzwischenvorform herstellen, wobei die Menge an Ausschuss verringert wird.
Der Schritt des Formens einer polymerischen Zwischenvorform von länglicher Form kann die folgenden Vorgänge umfassen:

Einführen eines flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers in eine zylindrische Form;
– Verfestigen des optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers, um so einen zylindrischen Polymerkörper zu erhalten, der die Zwischenvorform bildet; und Entfernen des zylindrischen Polymerkörpers aus der Form.

Bevorzugt umfasst der Schritt des Formens einer polymerischen Zwischenvorform von länglicher Form die folgenden Vorgänge:

– Herstellen einer aus einem rohrförmigen Teil bestehenden Form, die ein Muster von daran entlang verlaufenden Loch erzeugenden Elementen (Drähten, Stäben oder Röhrchen), wobei die Loch erzeugenden Elemente lösbar an einem oberen und an einem unteren Boden der Form angebracht sind; Füllen der Form mit einem flüssigen optischen Polymermaterial oder Polymervorläufer;
– Verfestigen des Materials, sodass es unter Arbeitsbelastungsbedingungen bei Raumtemperatur seine Form nicht ändern kann;
– Lösen der Loch erzeugenden Elemente aus dem oberen und unteren Boden;
– Entnehmen der verfestigten Kernvorform aus der Form und, wenn nötig, Entnehmen der Loch erzeugenden Elemente aus der Kernvorform, um die Mikrostruktur zu erzeugen.

Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren vor dem Füllen der Form mit einem flüssigen optischen Polymer oder Polymervorläufer den Schritt des Reinigens der Form, indem in ihr ein gefiltertes Lösungsmittel zirkuliert wird.
In Bezug auf die mögliche Entnahme der Loch erzeugenden Elemente aus der Kernvorform können verschiedene Fälle unterschieden werden:

– die Loch erzeugenden Elemente können in der Kernvorform eingekapselt bleiben. Sie können kleine Röhrchen aus demselben Material wie der Hauptteil der Vorform oder feste Stäbe aus einem transparenten Material mit einem unterschiedlichen Brechungsindex sein, der im Allgemeinen geringer als jener des Hauptteils des Materials ist;
– die Loch erzeugenden Elemente können aus der Kernvorform nach vollendeter Materialverfestigung entnommen werden. Die Entnahme wird allgemein dadurch erhalten, dass auf das Element eine Zugkraft ausgeübt wird, wenn notwendig nachdem die Vorform oder das Element selbst erwärmt wurde.

Wie oben erwähnt, basiert die Auswahl der Abmessungen der Form und der Loch erzeugenden Elemente auf praktischen Überlegungen zur leichteren Handhabung und Verarbeitung. Dementsprechend kann im Allgemeinen d/D in der Kernvorform größer sein als das, was in der mikrostrukturierten Faser benötigt wird. Ein oder mehr nachfolgende Schritte sind in diesem Fall notwendig, um eine Faservorform mit dem korrekten Verhältnis zu erhalten.
Diese Schritte können die folgenden Vorgänge umfassen:

– Kalibrieren der Kernvorform durch das erfinderische Verfahren auf eine im Vergleich zur ursprünglichen Abmessung geringer Abmessung;
– Hinzufügen von neuem Material um die gestreckte Kernvorform, um das Verhältnis zwischen dem Loch- und Faserdurchmesser zu verringern;
– Wiederholen der obigen Vorgänge, bis das korrekte Abmessungsverhältnis der Faservorform erreicht ist.

Die Umhüllung, d.h. das Hinzufügen von Material um die gestreckte Kernvorform kann auf verschiedene Weisen erzielt werden:

– die gestreckte Vorform kann in die Mitte einer Gussform eingesetzt werden und neues Material um sie herum hinzugefügt und verfestigt werden;
– ein Rohr aus äußerem Material kann mithilfe derselben Verfahren wie bei der Kernvorform oder mit anderen Verfahren vorbereitet werden und die gestreckte Kernvorform kann in das hohle Innere des Rohrs eingesetzt werden, wobei sie durch Eingriff (Festsitz), Verkleben oder Verschweißen in Position gehalten wird.

Es ist zu verstehen, dass das um die gestreckte Kernvorform hinzugefügte Material von jenem der Kernvorform verschieden sein kann. Im Allgemeinen besitzt dieser äußere Teil die Funktion, den Kern zu schützen und die Handhabung der Faser zu erleichtern.
Daher besitzt das äußere Material im Allgemeinen eine geringere optische Reinheit und eine höhere Robustheit als das Kernmaterial.
Das beschriebene Verfahren kann mehrere Male wiederholt werden, bis die benötigte Faservorform erhalten wird, die dann mit einem der herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern gezogen wird.
Das mehrschrittige Verfahren erlaubt es, beliebige Verhältnisse zwischen Loch- und Vorformdurchmesser und zwischen Lochdurchmesser und Lochabstand zu erhalten, ohne zu große Vorformen herzustellen, welche sehr schwierig zu ziehen wären und thermisch und optisch inhomogen sein können. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren, relativ geringe Mengen von teuren Kernmaterialien zu verwenden, was kosteneffektiv sein könnte.
Weitere Details können in der folgenden Beschreibung gefunden werden, die sich auf die hier aufgelisteten, beigefügten Figuren bezieht:
1a, 1b und 1c zeigen drei verschiedene mikrostrukturierte optische Fasern;
2 ist eine Blockdarstellung eines Aufbaus zur Herstellung einer mikrostrukturierten polymerischen optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Gussform, die Teil des Aufbaus der vorliegenden Erfindung ist;
4a, 4b zeigen einen vertikalen Schnitt einer weiteren beispielhaften Gussform, die Teil des Aufbaus der vorliegenden Erfindung ist, beziehungsweise eine Draufsicht eines Abdeckungselements für diese Form;
5 veranschaulicht eine Streckungsvorrichtung, die Teil des Aufbaus der vorliegenden Erfindung ist;
6a bis 6m zeigen schematisch verschiedene Schritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Faserstruktur
Eine mikrostrukturierte optische Faser wird nun beschrieben. Diese Faser kann eine große effektive Fläche besitzen und kann vom ultravioletten bis zum nahinfraroten einmodig oder wenigmodig sein.
Im Folgenden wird der wohlbekannte Fall der in einer regelmäßigen dreieckigen Anordnung liegender Löcher besprochen. Jedoch können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genauso leicht andere Anordnungen erhalten werden.
Die 1a bis 1c veranschaulichen als Beispiel drei unterschiedliche mikrostrukturierte optische Fasern, die jeweils mit 1, 1', 1'' bezeichnet sind und die mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die Faser 1 (1a) besitzt eine mittlere Achse 2, einen zur Achse 2 koaxialen mittigen Bereich 3 und einen ringförmigen Bereich 4, der den mittigen Bereich 3 umgibt. Der ringförmige Bereich 4 besitzt eine Vielzahl von Löchern 5, die bevorzugt symmetrisch um die Achse 2 angeordnet sind und typischerweise dieselbe Abmessungen besitzen. Die Löcher 5 können auch unterschiedliche Abmessungen besitzen, wie es z.B. in der US 5,802,236 veranschaulicht ist, wobei die Löcher eines inneren Kranzes (die den mittigen Bereich umgibt) größere Abmessungen als die weiter außen gelegenen Löcher besitzen.
Der mittige Bereich 3 ist in dieser Ausführungsform bevorzugt aus demselben Material wie der ringförmige Bereich 4 hergestellt; insbesondere sind der mittige und der ringförmige Bereich 3, 4 in diesem Fall unterschiedliche Abschnitte desselben homogenen Körpers (abgesehen von der durch die Löcher 5 dargestellten Diskontinuität). Der mittige Bereich 3 besitzt keine Löcher und definiert somit einen „mittigen Defekt" in der löchrigen Faser. Die Löcher 5 können Luft oder ein anderes Gas enthalten, oder sogar ein geeignetes Vakuum, oder können mit einer Flüssigkeit oder mit einem Material gefüllt sein, das von dem polymerischen Hauptkörper verschieden ist. Wenn die Löcher 5 mit anderem Material gefüllt sind, wird dieses Material typischerweise einen anderen Brechungsindex als das umgebende Material besitzen.
Die Faser 1' (1b) unterscheidet sich von der Faser 1 darin, dass der mittlere Bereich 3 ein zur Achse 2 koaxiales mittiges Loch 6 besitzt, während die Faser 1'' (1c) sich von der Faser 1 darin unterscheidet, dass der mittlere Bereich 3 ein mittiges mikrostrukturiertes Element 7 aus einem anderen Material als dem Material des ringförmigen Bereichs 4 umfasst.
Die Fasern 1, 1' und 1'' besitzen somit eine Vielzahl von mikrostrukturierten Elementen, die entweder durch longitudinale Löcher oder durch longitudinale Abschnitte mit einem vom Hauptteil des Polymers verschiedenen Material definiert werden können.
Die die oben beschriebenen mikrostrukturierten Fasern charakterisierenden Parameter sind der Durchmesser d der Löcher 5, der Durchmesser d₁ des mittigen Lochs 6 oder des mittigen strukturellen Elements 7, der Abstand (die Schrittweite) A zwischen zwei benachbarten Löchern 5 und der äußere Durchmesser D der Faser. Die Lichtausbreitungseigenschaften der Faser hängen an einer gewählten Lichtwellenlänge λ von den Verhältnissen d/A und A/λ ab.
Typischerweise haben die Werte d und A die Größenordnung von Mikron. Der Faserdurchmesser D beträgt für eine Standardpolymerfaser von 0,250 bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 1 mm. Wir bemerken, dass Polymerfasern gewöhnlich nicht ummantelt werden müssen. Die Ummantelung wird nur bei Fasern verwendet, die aus teuren Materialien hergestellt sind, in welchem Fall man gewöhnlich den Faserdurchmesser inklusive des Ummantelungsdurchmessers in Betracht zieht. Wenn der Durchmesser d der Löcher 5 ein ausreichend kleiner Bruchteil der Schrittweite A ist, führt der Kern 3 der Faser 1 Licht über einen weiten Bereich von λ in einer einzelnen Mode. Das Verhältnis d/A liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5, um eine Einmoden- oder Wenig-Moden-Ausrbeitung zu erzielen. Das Verhältnis A/λ beträgt bevorzugt zwischen 5 und 25, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10. Die effektive Fläche A_eff an einer Wellenlänge von 650 nm ist bevorzugt größer als 80 μm².
Das Verhältnis d/D liegt bevorzugt zwischen 0,0002 und 0,015, besonders bevorzugt zwischen 0,001 und 0,01.
Beispiel
Zwei koaxiale Löcherkränze werden um einen mittigen Defekt herum angeordnet, der aus einem fehlenden Loch besteht. Die Feldamplitudenverteilung der fundamentalen Mode wurde für diese Struktur berechnet, indem die Werte von 1,4892 für den Brechungsindex im Hauptteil des Materials sowie eine Wellenlänge von 650 nm verwendet wurden, wobei beide Werte typisch für Polymethylmethacrylat sind. Als Beispiel wurden die Ergebnisse für A = 10 μm (A/λ = 15,4) und d = 1 μm (d/A = 0,1) ausgewertet. Unter diesen Bedingungen fällt die 1/e gleiche Intensitätslinie in den festen Kern, in die Nähe des inneren Lochkranzes, und die effektive Fläche bei 650 nm wird bis zu 680 μm² groß.
Daher wird die Verbindung zwischen Fasern dieser Art erleichtert. Das Kunststoffmaterial ist leicht zu schneiden und zu spleißen; darüber hinaus verringert die große effektive Fläche Ausrichtungsschwierigkeiten.
Ein zur Herstellung von mikrostrukturierten Fasern der zuvor beschriebenen Arten geeigneter Aufbau ist schematisch in der Blockdarstellung der 2 gezeigt und hier mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Der Aufbau 100 umfasst eine Gussform 20 zur Herstellung einer Kernvorform aus einem Polymervorläufer, eine Anordnung 300, um die Polymerisierung der Kernvorform zu erhalten, eine Streckvorrichtung 400 zum Strecken der Kernvorform, eine Wärmebehandlungsvorrichtung 500, um die gestreckte Kernvorform zu einem Kernstab zu kalibrieren, eine Umhüllungsvorrichtung 600, um eine äußere Umhüllung auf den Kernstab aufzubringen und so eine endgültige Vorform zu erhalten, und einen Ziehturm 700 zum Ziehen einer optischen Faser aus der endgültigen Vorform. Eine gestrichelte Linie zeigt die Arbeitsabfolge der verschiedenen Komponenten des Aufbaus 100.
Herstellung der Vorform
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden (batch polymerization) mit Bezug auf den Fall der diskontinuierlichen Polymerisation eines Monomers beschrieben. Die Unterschiede zu anderen möglichen Ausführungsformen, in welchen andere diskontinuierliche Techniken verwendet werden, wie z.B. das Gießen eines geschmolzenen Polymers oder das Pulversintern, werden dem Fachmann ebenso wie die technischen Details, die zu deren Umsetzung notwendig sind, offensichtlich sein. In dieser Hinsicht ist die Erfindung allgemein und nicht auf die diskontinuierliche Polymerisation beschränkt.
Mit Bezug auf die schematische Darstellung der 6a bis 6m umfassen die beschriebenen Ausführungsformen die folgenden Schritte.
Das Verfahren beginnt (6a) mit der Zubereitung eines Polymervorläufers. Das gereinigte Monomer wird mit den Additiven vermischt (11), die benötigt werden, um die Polymerisationsreaktion einzuleiten und zu steuern.
Die Mischung 11 wird in die Form 20 eingeführt (6b), welche einen Behälter 21 enthält, der an seinen Enden von einer unteren und einer oberen Abdeckung 22, 25 verschlossen wird. Die Form enthält einen Satz von Loch erzeugenden Elementen 23 mit geeignetem Durchmesser, welche durch die Löcher 24 hindurch treten, die in den Abdeckungen gemäß dem benötigten Muster der mikrostrukturierten Faser gebohrt sind. Die Elemente 23 werden durch eine geeignete Vorrichtung, nicht gezeigt, gerade gehalten.
Die Mischung 10 kann in die Form 20 durch einen geeigneten, nicht gezeigten Einlass eingegossen werden, der auf der oberen Abdeckung 25 oder auf einer Seite des Behälters 21 vorgesehen ist.
Die Anordnung wird dann versiegelt und die geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen werden für die Dauer eingestellt (6c), die notwendig ist, damit die Polymerisation zur Vollendung gelangt (6d).
Am Ende des Prozesses wird das polymerisierte Material 30 aus der Form 20 entnommen (6e).
Die in dem polymerisierten Material 30 eingebetteten Loch erzeugenden Elemente 23 werden, wenn notwendig, durch eine geeignete Vorrichtung entnommen, wodurch eine Kernvorform 40 erhalten wird, welche ein Array von Löchern 41 enthält (6f). In anderen Ausführungsformen der Erfindung können alle Elemente 23 oder eine Untermenge von ihnen in der Kernvorform 40 belassen werden.
Wenn ein mehrschrittiges Verfahren erforderlich ist, wird die Kernvorform 40 gestreckt, indem eine Zugkraft F an ihren Enden ausgeübt wird, während sie in einem geeigneten Streckofen 51 erhitzt wird (6g) um so eine gestreckte Kernvorform 50 herzustellen. Die gestreckte Kernvorform 50 wird auf eine geeignete Abmessung verringert, wenn notwendig durch Anwenden eines Kalibrationsschrittes (6h) mit der Hilfe eines Kalibrationsröhrchens 53 und eines Kalibrationsofens 52. Durch Kalibrieren der gestreckten Kernvorform 50 wird ein Kernstab 45 erhalten.
Neues Material wird um den Kernstab 45 herum hinzugefügt, z.B. dadurch, dass er in ein Rohr eingesetzt wird. Als Alternative wird um den Kernstab herum ein Polymermaterial oder Polymervorläufer 57 in eine geeignete Form 56 derselben Art wie die Form 20 gegossen, welche mit einem Behälter 58 versehen ist, der eine obere und eine untere Abdeckung 54, 55 enthält (6i). Das Polymermaterial oder der Polymervorläufer wird dann verfestigt (z.B. gekühlt oder polymerisiert). (6l).
Das Verfahren kann wiederholt werden, bis eine endgültige Faservorform 59 mit Löchern mit dem korrekten Dimensionsverhältnis erhalten wird.
Schließlich wird die mit diesem mehrschrittigen Verfahren erhaltene Faservorform 59 mit irgendeinem herkömmlichen Verfahren für optische Kunststofffasern gezogen, und zwar mit einem Ziehturm 60, der einen Ofen enthält, wodurch die mikrostrukturierte Faser 61 erhalten wird, wie in 6m gezeigt ist.
Die erfindungsgemäßen Herstellungsschritte der Vorform, die oben umrissen wurden, werden nun in größerem Detail beschrieben.
Mit Bezug auf 3 umfasst die Form 20, wie zuvor erwähnt, einen zylindrischen Zwischenbehälter 21, indem der Polymervorläufer zur Kernvorform ausgeformt wird, und einem Satz von beabstandeten Loch erzeugenden Elementen, die von Drähten, Stäben oder Röhrchen definiert sind, welche den Behälter 21 in Längsrichtung durchqueren, um die innere Struktur der Kernvorform zu definieren. Diese innere Struktur der Vorform wird der inneren Mikrostruktur der endgültigen Faser entsprechen, und die Loch erzeugenden Elemente werden daher auch als Mikrostruktur erzeugende Elemente bezeichnet.
Der Behälter 21 umfasst weiter eine zylindrische Seitenwand 26 mit einer mittleren Achse 29 und eine erste und zweite Abdeckung 22 und 25 – die obere bzw. die untere Abdeckung –, die auf die Enden der Seitenwand 26 passen und durch geeignete Mittel (nicht gezeigt) damit gekoppelt werden können, beispielsweise mit Spannstäben und -muttern, Schraubverschlüssen oder geflanschten Verbindungen. Versiegelungselemente 27 können zwischen die Seitenwand 26 und die Abdeckungen 22, 25 gelegt werden, um zu verhindern, dass Fluide aus der Umgebung eindringen und/oder die Reaktionsmischung austritt. Die Wahl des Durchmessers des Behälters 21 und der Loch erzeugenden Elemente 23 gründet sich auf praktische Überlegungen zur leichteren Handhabung und Verarbeitung.
Die Seitenwand 26 kann ein rohrförmiges Element aus Glas, Kunststoff oder Metall sein. Die Abdeckungen 22, 25 können scheibenähnliche Elemente aus Plastik oder Metall sein. Die obere Abdeckung 25 besitzt bevorzugt eine Vielzahl von Durchtrittslöchern 22b. Die untere Abdeckung 22 kann eine Vielzahl von Vertiefungen oder Durchtrittslöchern 25a aufweisen, die nach demselben Muster wie die Löcher 24b angeordnet sind. Anstatt der unteren Abdeckung 22 kann sich dort eine ganzheitlich mit der Seitenwand ausgebildete Bodenwand befinden, um so einen einstückigen becherförmigen Behälter zu bilden. Die Abdeckungen 22, 25 sollen mit der Seitenwand 26 so gekoppelt sein, dass die Löcher 24b der Abdeckung 25 mit den Löchern 24a der Abdeckung 22 ausgerichtet sind. Mittel können vorgesehen werden, um diese Ausrichtung auf einfache Weise zu ermöglichen, wie z.B. Bezugszeichen oder eine Kopplung mithilfe von Stiften. Bevorzugt sind die obere Abdeckung 25 und die untere Abdeckung 22 relativ dick, sodass die Löcher 24a und 24b eine Führungsfunktion für die Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 bereitstellen können.
Anstatt der oberen und/oder unteren Abdeckung 22, 25 kann/können eine oder zwei Böden vorhanden sein, die operativ an oder in der Nähe der Enden des Behälters 21 angeordnet sind, wobei jeder Boden eine Vielzahl von Durchtrittslöchern 24a, 24b aufweist und die Funktion des Tragens und möglicherweise Spannens der Loch erzeugenden Elemente 23 bereitstellt. In dieser Ausführungsform können des Weiteren eine oder zwei entsprechende Abdeckungen außerhalb des Behälters in Bezug auf den oberen Boden und/oder den unteren Boden 21 vorgesehen sein, um den Behälter in Bezug auf die äußere Umgebung zu versiegeln.
Die Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 sind bevorzugt Drähte, Stäbe oder Röhrchen, die durch die Vielzahl von Löchern 24a und 24b auf der jeweiligen oberen und unteren Abdeckung hindurchtreten und sich koaxial zur Achse 29 im Behälter 21 erstrecken. Die Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 sollten Abmessungen sowie eine Steifheit besitzen, welche eine leichte Handhabung und einen leichten Aufbau der Form erlauben. Sie können identische zylindrische Elemente sein oder unterschiedliche Größen und Formen besitzen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 können, wenn notwendig, durch geeignete Mittel gerade und unter Spannung gehalten werden: z.B. kann eines ihrer Enden fixiert sein und das andere mit einem Gewicht oder irgendeiner mechanischen Vorrichtung geklemmt und gespannt sein.
Die Materialien der Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 sollten derart sein, dass sie durch das Monomer und den Polymerisationsvorgang nicht beschädigt werden, und für jene Elemente, die aus dem Behälter 21 entnommen werden sollen, wie im Folgenden beschrieben, sollten sie so sein, dass sie während des Entnahmevorgangs keinen Schaden verursachen.
Bevorzugt sind die Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 aus Metall, Kunststoff oder Glas hergestellt.
Das Material wird bevorzugt auch in Übereinstimmung mit der Größe der Löcher, die geformt werden sollen, ausgewählt; die Auswahl des Materials wird darüber hinaus mit der Technik zur Entfernung der Elemente 23 aus dem Behälter 21 verbunden sein, wenn ihre Entfernung benötigt wird. Z.B. sind die Elemente 23 für Löcher von relativ kleinen Abmessungen (bis ungefähr 2 mm) bevorzugt Metalldrähte, die nach dem Erwärmen entnommen werden. Andererseits sind die Elemente im Fall von Löchern mit relativ großem Querschnitt (mehr als 1 mm) bevorzugt starre Elemente, die mit einer nicht haftenden Substanz wie PTFE beschichtet sind und welche durch Ausüben irgendeiner Art von mechanischer Belastung bei Raumtemperatur herausgezogen werden können.
Wenn ein Eisen enthaltendes Metall für die Mikrostruktur erzeugenden Elemente verwendet wird, haben die Anmelder herausgefunden, dass es vorteilhaft ist, sie während des Aufbaus der Form zu reinigen, und zwar mithilfe einer NaOH enthaltenden Lösung, um ungebundene Eisenionen von der Oberfläche der Elemente zu entfernen, die ansonsten in den Polymervorläufer hineindiffundieren könnten und die Polymerisation nachteilig beeinflussen könnten. Insbesondere hat der Anmelder herausgefunden, dass es vorteilhaft ist, Mikrostruktur erzeugende Elemente aus Edelstahl wiederholt mit einem in NaOH-Lösung (0,5 N) getränkten Tuch zu reinigen. Die weitere Reinigung kann mit einem in Ethylalkohol getränkten Tuch erreicht werden.
Alternativ (und weniger bevorzugt) zu mechanischen Entnahmetechniken können chemische Entnahmetechniken verwendet werden. Entsprechend können die Elemente 23 aus einer auflösbaren, löslichen oder niedrig schmelzenden Substanz hergestellt sein. Z.B. können die Elemente aus einem Polymer oder Parafin hergestellt sein, das durch Verwendung eines selektiven Lösungsmittels oder durch Schmelzen mit einer sanften thermischen Behandlung entfernt werden kann.
Ein oder mehrere Elemente des Satzes von Elementen 23 können so konzipiert sein, dass sie in der Vorform eingebettet bleiben, um so ein strukturelles Elemente der Vorform und nachfolgend ein mikrostrukturelles Element der Faser zu werden. Die Funktion dieser Elemente kann optisch oder mechanisch sein. Um z.B. die Faser 1'' der 1c herzustellen, ist das mittige Mikrostruktur erzeugende Element so konzipiert, dass es in der Polymerstruktur eingebettet bleibt, um so das mittige strukturelle Element 7 zu bilden. Die Elemente, die dafür konzipiert sind, in der Vorform eingebettet zu bleiben, werden aus einem vorbestimmten Material hergestellt, das vom Hauptteil des Materials der Vorform verschieden ist.
Die Anordnung und die Abmessung der Mikrostruktur erzeugenden Elemente 23 soll so ausgewählt werden, dass eine vorbestimmte räumliche Verteilung und Größe der Löcher in der herzustellenden Faser erhalten wird. Insbesondere soll das Verhältnis zwischen Durchmesser der Elemente 23 und ihr gegenseitiger Abstand im Wesentlichen dem vorbestimmten Verhältnis d/A zwischen dem Durchmesser d der Löcher 5 in der endgültigen Faser (allgemeiner der mikrostrukturellen Elemente im Ummantelungsbereich) und ihrer Periodizität A entsprechen. Es wird hier angemerkt, dass das Verhältnis d/A in der Vorform sich geringfügig vom Verhältnis d/A in der endgültigen Faser unterscheiden kann, und zwar aufgrund der Oberflächenkräfte und dem möglichen Druckunterschied zwischen den Löchern und dem Äußeren der Faser während des Ziehens der Faser. Dieser Effekt, der im Folgenden weiter beschrieben wird, kann experimentell gemessen und zu einem gewissen Ausmaß gesteuert werden, indem die Arbeitsparameter des Ziehens der Faser ausgewählt werden. Darüber hinaus kann dieser Effekt während des Designstadiums der Vorform berücksichtigt und kompensiert werden.
Andererseits sollte das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Elemente 23 und dem Innendurchmesser des Behälters 21 im Allgemeinen nicht dem Verhältnis d/D zwischen dem Durchmesser d der Löcher und dem äußeren Durchmesser D der endgültigen Faser entsprechen und kann gemäß den Anforderungen einer leichten Handhabung und Verarbeitung gewählt werden. Insbesondere machen es zu kleine Abmessungen und Abstände der Löcher sehr schwierig, die Gussform aufzubauen und aus ihr die Loch erzeugenden Elemente zu entnehmen, während ein zu großer Gussformdurchmesser die Nachbearbeitung der Vorform komplizierter gestaltet und Inhomogenitäten in der verfestigten Kernvorform verursachen kann.
Es ist offensichtlich, dass eine Gussform wie die zuvor beschriebenen, eine vollständige Designfreiheit der Mikrostruktur erlaubt und keine unerwünschten Grenzflächen erzeugt, die beim Stack-and-draw-Verfahren typisch sind. Darüber hinaus kann sie sorgfältig gereinigt und von der äußeren Umgebung isoliert werden, um so die Ursachen für optische Streuung zu verringern. Als weiterer Vorteil ist der Aufbau der Vorform viel einfacher und schneller als das Stapeln von Rohren und erfordert viel weniger Elemente. Auch erlaubt es das Befestigen der Loch erzeugenden Elemente sowohl an einem ersten als auch einem zweiten Boden, die an entgegengesetzten Enden der Form positioniert sind, eine präzise und stabile Positionierung der Loch erzeugenden Elemente und eine präzise Anordnung der Löcher über die gesamte Länge der optischen Vorform.
Eine weiter Ausführungsform einer Gussform 420, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist in den 4a und 4b gezeigt, und zwar in einer Querschnittsansicht, die entlang der Mittelachse der Form geschnitten ist, beziehungsweise in einer Ansicht von oben. Die Form 420 umfasst einen zylindrischen Behälter 421, der mit einem oberen und einem unteren geflanschten Endstück 426b und 426a versehen ist. Eine untere Abdeckung 422 ist so geformt, dass sie auf das untere geflanschte Endstück 426a des zylindrischen Behälters 421 passt. Eine Dichtung ist bevorzugt zwischen der unteren Abdeckung 422 und dem unteren geflanschten Endstück 426a vorgesehen, z.B. eine O-Ring-Dichtung. Die Form besteht im Allgemeinen aus Metall, bevorzugt aus Aluminium; der innere Teil der Form kann mit einem Tetrafluorethylenschlauch ausgekleidet sein, um die Entnahme der Vorform aufgrund der verringerten Reibungskräfte zu erleichtern und eine glattere Oberfläche der Vorform zu erhalten.
Durchgangslöcher 424a sind in einem mittleren Abschnitt 430 der unteren Abdeckung 422 vorgesehen, und zwar an Positionen, die dem erwünschten Lochmuster für die Vorform entsprechen. Der Durchmesser der Löcher 424a ist so gewählt, dass er eng mit dem Durchmesser der Loch erzeugenden Elemente (nicht gezeigt) übereinstimmt, die in der Form verwendet werden. Die Dicke des mittleren Abschnitts 430 der unteren Abdeckung 422 kann geeigneterweise kleiner als die Dicke eines den mittleren Abschnitt 430 umgebenden ringförmigen Bereichs der unteren Abdeckung sein, um so eine Vertiefung in der Seitenfläche der unteren Abdeckung 423 bereitzustellen, die zur Außenseite des Behälters 421 gewandt ist. Diese Vertiefung kann ausgenutzt werden, um darin die Endabschnitte der Loch erzeugenden Elemente und ihre Befestigungsmittel unterzubringen und das Innere der Form von der äußeren Umgebung zu isolieren, z.B. indem die Vertiefung mithilfe eines Wärme härtenden Kunstharzvergusses gefüllt wird.
Die obere Abdeckung der Form umfasst einen ringförmigen Abschnitt 441, der so geformt ist, dass er auf das obere geflanschte Endstück 426bd es zylindrischen Behälters 421 passt. Eine Dichtung ist bevorzugt zwischen dem ringförmigen Abschnitt 441 und dem oberen geflanschten Endstück 426b vorgesehen, z.B. eine O-Ring-Dichtung.
Die obere Abdeckung der Form umfasst auch einen beweglichen Abschnitt 442 von allgemein zylindrischer Form, der einen Außendurchmesser besitzt, welcher zu dem Innendurchmesser des zylindrischen Behälters 426 passt, um so im zylindrischen Behälter 421 zwischen einer unteren Position 443 neben der unteren Abdeckung 422 und einer oberen Position beweglich zu sein. In der oberen Position greift ein zurückversetzter oberer Teil des beweglichen Abschnitts 442 mit dem inneren Teil des ringförmigen Abschnitts 441 ein, um so eine wesentliche Dichtung zu bilden.
Der bewegliche Abschnitt 442 umfasst zwei Teile, einen Boden 445 und einen oberen Teil 444, die jeweils mit Löchern 424b versehen sind, welche Eigenschaften und Positionen aufweisen, die jenen der Löcher 424a der unteren Abdeckung 422 entsprechen. Die Löcher 424b im Boden 445 besitzen eine Länge und einen Durchmesser, der gleich den Löchern 424a ist und haben dieselbe Führungsfunktion für die Loch erzeugenden Elemente, während die Löcher im oberen Teil 444 einen größeren Durchmesser besitzen und dafür konzipiert sind, kleine, für die Spannung der Loch erzeugenden Elemente eingesetzte Federn aufzunehmen, wie im Folgenden beschrieben wird.
Ein Rohr 450 ist vorgesehen, um das Einführen einer flüssigen Polymerverbindung zu erlauben. Das Rohr 450 wird z.B. am ringförmigen Abschnitt 441 angeschlossen. Ein Durchgang 451 ist durch den beweglichen Abschnitt 442 vorgesehen, um das Rohr 450 in Flüssigverbindung im Inneren des Behälters 421 zu bringen. Ein weiteres Rohr 452, das in 4b, jedoch nicht in 4a gezeigt ist, kann mit der oberen Abdeckung verbunden werden, um eine Reinigungsflüssigkeit zu zirkulieren und um für Vakuum und eine Gasatmosphäre zu sorgen. Alternativ kann das Rohr 452 mit der unteren Abdeckung oder einem anderen Teil der Form 420 verbunden werden.
Der Aufbau der Form 420 umfasst das Bewegen des beweglichen Abschnitts 442 in seine untere Position 443, um so die Löcher 424a und 424b auszurichten, das Fixieren der Loch erzeugenden Elemente an der unteren Abdeckung 422, das Bewegen des beweglichen Abschnitts 442 in seine obere Position, und sein Befestigen, um die Loch erzeugenden Elemente unter Spannung zu setzen. Das Einsetzen der Loch erzeugenden Elemente in die Form wird mit dieser Ausführungsform einfach gemacht. Tatsächlich verringert der kurze Abstand zwischen der unteren und oberen Abdeckung während des Einsetzens der Loch erzeugenden Elemente das Risiko, die Elemente selbst zu beschädigen, und verhindert ein mögliches Verflechten der Loch erzeugenden Elemente.
Um die Loch erzeugenden Elemente unter Spannung zu setzen, können in die Löcher 424b des oberen Teils 444 eingesetzte Federn verwendet werden. Die obere Kante der Loch erzeugenden Elemente wird in kugelförmige oder zylindrische Sicken eingesetzt, die an den Loch erzeugenden Elementen in einer Position befestigt sind, um die Federn in Kompression zu setzen. Wenn sie gelöst werden, drängen die Federn in ihre nicht komprimierte Position zurück und ziehen somit die Loch erzeugenden Elemente, welche daher unter Spannung gesetzt werden.
Die Materialien für die Kernvorform können z.B. jene sein, die gewöhnlich bei der Herstellung von optischen Kunststofffasern verwendet werden, z.B. Polymethylmethacrylat, fluoriniertes Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polycarbonat, aliphatische Zyklo-Polyolefine oder perfluorinierte zyklische optische Polymere, die auf Perfluordioxolen oder Alkenvinylethern basieren, wie z.B. Cytop (Asahi Glass) und Teflon AF (Du Pont). Allgemeiner kann jedes transparente amorphe Polymermaterial verwendet werden, wie z.B. Polyvinylchlorid, Polyvinylidenfluorid, Polyacrylonitril, Styrol-Acrylonitril-Copolymer (SAN). Sie können durch Polymerisation oder Polykondensation erhalten werden und können Homopolymere oder Copolymere sein. Andere Materialien können verwendet werden, vorausgesetzt sie besitzen Eigenschaften, die zur Verwendung in optischen Fasern geeignet sind, insbesondere geringe optische Verluste an den Wellenlängen der beabsichtigten Verwendung, thermische und mechanische Eigenschaften, die geeignet sind, um dem Ziehprozess und der nachfolgenden Handhabung der Faser zu widerstehen, chemische Beständigkeit usw. Die Dichte des Materials der Kernvorform ist im Allgemeinen größer als ungefähr 0,8 g/cm³.
Das entsprechende Monomer oder die Monomere können mit Initiatoren, Ketten-Transfer-Mitteln, Katalysatoren oder anderen Substanzen gemischt sein. Diese Monomermischung muss optisch rein sein, um Defekte zu vermeiden, die Abschwächungsverluste erhöhen können, und aus denselben Gründen sollte die Reaktionsumgebung im Wesentlichen rein und staubfrei sein.
Um die optische Transparenz der Vorform zu verbessern, ist eine sorgfältige Entfernung aus der Gussform ratsam. Dies kann dadurch erzielt werden, dass die zusammengebaute Form von der äußeren Umgebung isoliert wird, und zwar auf solche Weise, dass sie nicht mehr Umweltbelastungen ausgesetzt ist, und dass durch sie eine Flüssigkeit wiederholt zirkuliert wird, welche vor dem Einspritzen bei jedem Zyklus durch einen 0,2 Mikron-Membranfilter gefiltert wird. Jede gewöhnlich zum Reinigen von Laborglasgeräten verwendete Flüssigkeit kann verwendet werden, inklusive destilliertem oder entionisiertem Wasser, flüchtige Lösungsmittel wie Aceton oder Ethylalkohol, und im Allgemeineren Flüssigkeiten, die die Materialien der Gussform nicht beschädigen und auf ihr keine Spuren hinterlassen. Der Reinigungsvorgang kann beendet werden, wenn z.B. durch visuelle Inspektion mithilfe eines Laserpointers in der Flüssigkeit im Inneren der Form kein Streuungszentrum mehr entdeckt werden kann. In der Praxis kann der Reinigungsvorgang beendet werden, nachdem die Flüssigkeit eine oft genug wiederholt zirkuliert wurde, beispielsweise nachdem ein Flüssigkeitsvolumen wiederholt zirkuliert wurde, das dem Zehnfachen des Volumens der Gussform entspricht. Schließlich wird die Flüssigkeit abgepumpt und Rückstände werden durch Spülen mit einem trockenen und gefilterten Gas entfernt. Auch für das Gas wird eine Filterung durch einen 0,2 Mikron-Membranfilter empfohlen. Inerte Gase wie Stickstoff oder sogar ölfreie Luft aus einem Membrankompressor sind angezeigt.
Es wird bemerkt, dass diese Rezirkulierungs- und Filterungstechnik besonders im Vergleich mit der einfachen Filterung des Polymervorläufers vor seinem Einführen in die Form vorteilhaft ist. Insbesondere ist die vom Anmelder vorgeschlagene Technik bei der Entfernung von Staubpartikeln wirkungsvoll, die während des Zusammenbaus in die Form eintreten oder die an den Loch erzeugenden Elementen anhaften.
Wir bemerken auch, dass diese Rezirkulierungs- und Filterungstechnik im Allgemeinen verwendet werden kann, um eine Vorform-Gussform zur Herstellung einer optischen Faservorform zu reinigen, sodass sie nicht auf die Herstellung einer Polymervorform oder einer Vorform für eine mikrostrukturierte Faser beschränkt ist. Beispiele anderer Anwendungen umfassen die Reinigung der Form für eine Vorform aus mikrostrukturierter Glasfaser, die mithilfe der Sol-Gel-Technik hergestellt wurde, oder einer gewöhnlichen (nicht mikrostrukturierten) Polymer- oder Glas-(Sol-Gel)-Faser.
Dann wird die Form mit der Monomermischung gefüllt, indem sie beispielsweise durch einen Filter am Einlassanschluss des Rohrs oder der Abdeckung über eine Spritze eingespritzt oder mit einer Dosierpumpe eingepumpt wird. Nachdem die Mischung in die Form eingeführt wurde, wird der Einlassanschluss mit einem Stopfen oder Ventil verschlossen oder kann beispielsweise durch Verschweißen abgedichtet werden. Auch kann die Mischung mit einer durch ein poröses Septum durchtretenden Nadel in die geschlossene Form eingespritzt werden.
In den meisten Fällen erfordert die Mischung in der Form eine Entgasung, um die Blasenbildung während der Polymerisation zu verhindern, und häufig findet die Reaktion im Vakuum statt. Daher kann die Form mit einer Vakuumpumpe oder anderen Systemen verbunden werden, die die richtigen Druckbedingungen im Inneren erzeugen, und zwar mithilfe desselben Anschlusses, der zum Einführen der Mischung verwendet wurde, oder mit einem speziell hierfür gedachten Anschluss.
Im Allgemeinen findet die Reaktion nicht bei Raumtemperatur statt, sodass die Form auf die korrekte Temperatur gebracht werden muss, beispielsweise mithilfe eines thermostatischen Wasser- oder Ölbads oder eines Luftofens. In einigen Fällen werden spezielle Beleuchtungsbedingungen bereitgestellt, wie z.B. eine dunkle Umgebung oder UV-Strahlung.
Um im Allgemeinen ein Polymer mit geeigneten Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf das Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung, und ohne Defekte wie z.B. Makround Mikroblasen zu erhalten, können die Rezeptur und die spezifischen Temperatur-, Druck- und Beleuchtungsbedingungen für das spezifische Material und die Kernvorform-Abmessungen optimiert werden, und zwar gemäß dem Fachmann bekannten Techniken.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für die Polymerisation eines flüssigen Monomers geeignet, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Tatsächlich ist die einzige Anforderung an das Material jene, dass es ein flüssiges optisches Polymermaterial oder ein Polymervorläufer ist, sodass es die Form der Gussform, in die es eingeführt wird, annimmt. Beispiele bezüglicher flüssiger Polymervorläufer sind ein flüssiges Monomer oder ein anderes Vorpolymer, Beispiele möglicher flüssiger Polymermaterialien sind ein geschmolzenes Polymer, ein in einem Lösungsmittel gelöstes Polymer oder ein fein gepulvertes Polymer.
Dementsprechend kann die Verfestigung des flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers durch Polymerisation mit oder ohne Quervernetzung, einfachem Kühlen, Lösungsmittelentfernung oder Sintern stattfinden.
Wenn die Reaktion zu Ende ist, wird die polymerisierte feste Kernvorform aus der Form entfernt. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbleiben die Loch erzeugenden Elemente eingebettet in der Kernvorform; sie können hohle Röhrchen aus demselben Polymer wie der Hauptteil der Vorform sein oder aus einem Material mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen, im Allgemeinen einem anderen Polymer.
In anderen Ausführungsformen werden die Loch erzeugenden Elemente aus der Kernvorform entnommen. Im Allgemeinen wird dies einfach dadurch erzielt, dass eine Zugbelastung auf die Elemente ausgeübt wird, nachdem die Vorform auf irgendeine Weise befestigt wurde, und zwar bei Raumtemperatur. Die ausgeübte Kraft muss die auf das Element einwirkenden Reibungskräfte übertreffen, die aus Kompressionskräften bestehen, die durch die Materialkontraktion aufgrund der Abkühlung und Polymerisation erzeugt werden, und die aus Haftkräften aufgrund der chemischen Affinität oder Rauheit der Loch erzeugenden Elemente bestehen.
Insbesondere wenn jedoch der Durchmesser der Loch erzeugenden Elemente sehr klein ist, was häufig der Fall ist, wenn niedrige d/D-Verhältnisse erwünscht sind, kann die zum Überwinden der Reibungskräfte notwendige Kraft so hoch sein, dass das Element bricht; in anderen Fällen ist die Fließfestigkeit des Vorformmaterials so gering, dass die Reaktionskräfte lokale Verformungen auf der Kernvorform hervorrufen können.
Um diese Problem zu lösen, müssen die auf die Loch erzeugenden Elemente einwirkenden Reibungskräfte verringert werden. Dies kann in einigen Fällen dadurch geschehen, dass die Elemente mit irgendeiner adhäsionsarmen Substanz wie einem adhäsionsarmen Fluoroharz, z.B. Polytetrafluoroethylen, beschichtet wird. Eine andere Weise ist, die Vorform in die Nähe ihrer Glasübergangstemperatur T_g zu erhitzen, um so die Materialnachgiebigkeit zu erhöhen und die Wärmeausdehnungsunterschiede auszunutzen. Jedoch verringert das Erhitzen auch die Fließfestigkeit des Vorformmaterials, wodurch die Möglichkeit von lokalen Verformungen aufgrund der Reaktionskräfte erhöht wird.
Eine bevorzugte Lösung ist es, das Vorformmaterial nur lokal an der Grenzfläche mit den Loch erzeugenden Elementen zu erhitzen. Wenn das Element aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist, z.B. einem Metalldraht, kann in dem Element ein Strom erzeugt werden, indem ein Potentialunterschied angelegt wird, sodass die vom Joule-Effekt verursachte lokale Erwärmung die Grenzfläche zwischen dem Element und dem Polymer erweicht, wodurch die Entnahmekräfte wesentlich verringert werden.
Ein Loch erzeugendes Element kann ein Metalldraht aus einem Material mit einer ausreichenden Zugfestigkeit unter erwärmten Bedingungen sein. Um des Weiteren die Drähte weniger für Schäden als Konsequenz ihrer Handhabung während des Stadiums des Formaufbaus anfällig zu machen, insbesondere um Abweichungen von der Geradheit zu verhindern, besitzen die Drähte bevorzugt eine beachtliche Steifigkeit. Ein geeignetes Material mit beiden obigen Eigenschaften ist z.B. Edelstahl. Andere Optionen sind möglich, z.B. Titan. Ni-Cr ist sehr wärmebeständig, jedoch auch sehr duktil; dementsprechend kann es mit Vorteil eingesetzt werden, wenn das Stadium des Formaufbaus in einer Weise automatisiert ist, bei der kein wesentliches Risiko entsteht, dass der Draht gebogen wird, wie z.B. in der Form der 4.
Der Anmelder hat bestimmt, dass, für die Umsetzung der Entnahme der Loch erzeugenden Elemente durch Erhitzen mittels eines durch sie fließenden elektrischen Stroms der Durchmesser der Loch erzeugenden Elemente vorteilhafterweise kleiner als 2 mm ist, um die Ausbildung von relativ kleinen Löchern zu erlauben und niedrige d/A-Verhältnisse zu erzielen. Bevorzugt besitzen die Loch erzeugenden Elemente einen Durchmesser von weniger als 1 mm. Der Durchmesser der Loch erzeugenden Elemente ist vorteilhafterweise größer als 0,1 mm, um eine ausreichende Beständigkeit gegen Ziehen zu erzielen, und bevorzugt größer als 0,3 mm.
Die Intensität und Dauer des durch die Loch erzeugenden Elemente zu führenden elektrischen Stroms kann in jedem spezifischen Fall leicht durch Ausprobieren bestimmt werden, die von der Querschnittsgröße, dem elektrischen Widerstand, der Länge und der maximal anwendbaren Belastung der Loch erzeugenden Elemente und der Viskosität des Materials abhängen. Die Anmelder haben bestimmt, dass das Erhitzen der Drähte auf eine Temperatur von ungefähr 300°C die innere Oberfläche der Löcher nicht beschädigt. Relativ höhere Temperaturen neigen dazu, eine dünne Schicht des Polymers in der Nähe der Drahtoberfläche zu verschlechtern. Jedoch hat der Anmelder beobachtet, dass eine dünne Polymerschicht mit der beschädigten Schicht am Draht anhaftet und zusammen mit dem Draht aus der Vorform gezogen wird, wobei eine saubere und glatte Oberfläche im Inneren der Löcher belassen wird. Höhere Temperaturen haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie die Viskosität des Polymers an der Grenzfläche mit den Loch erzeugenden Elementen senken, und dies kann die Entnahme der letzteren vereinfachen.
Es kann passieren, dass etwas Monomer der Kernvorform ungelöst bleibt, und zwar aufgrund eines unvollständigen Polymerisationsprozesses oder aufgrund von Depolymerisation, die während der Entnahme des Elements durch Erhitzen aufgetreten ist. Das eingefangene Monumer kann während der nachfolgenden Schritte der Faserherstellung eine Blasenbildung verursachen. In diesem Fall ist eine Nachbehandlung der Kernvorform, wie z.B. eine Wärme- und eine Vakuumbehandlung oberhalb der Glasüberangstemperatur nützlich. Bevorzugt wird die Vakuumbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, die höher ist als die Glasübergangstempertur T_g. Ein bevorzugter Vakuumzustand entspricht einem Druck von weniger als 0,2 bar, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 bar. Die Vakuumbehandlung wird für eine Dauer durchgeführt, die ausreichend ist, um das eingefangene Monomer umfassend aus der Vorform zu entfernen. Eine typische Zeitdauer für die Vakuumbehandlung variiert zwischen 4 und 24 Stunden.
Wie zuvor erwähnt ist es im Allgemeinen von Vorteil, eine mehrschrittige Prozedur zu befolgen, in welcher die vorläufige Kernvorform, die nicht das korrekte Dimensionsverhältnis aufweist, auf eine engere Abmessung gestreckt wird und neues Material um das ganze herum hinzugefügt wird (wie in 6g bis 6l gezeigt ist), und zwar auf solche Weise, dass das endgültige Verhältnis d/D das korrekte ist. Im Allgemeinen sind ein oder zwei Streckschritte ausreichend, um das notwendige Dimensionsverhältnis zu erreichen, obwohl im Prinzip eine größere Anzahl an Schritten angewandt werden kann, um die erforderliche Struktur zu erhalten.
Im Allgemeinen ist die erwünschte Verringerung des Durchmessers von beträchtlichem Ausmaß (2 bis 10 Mal), was natürlich auch nach Entfernen der Streckbelastung beibehalten werden muss; es ist daher notwendig, dass die Verformung der Kernvorform im Wesentlichen elastisch und viskoelastisch ist und ihre rein elastische Komponente vernachlässigbar ist. Die ausgeübte Kraft (Belastung) muss höher als der Fließpunkt des Materials sein. Da die meisten optischen Materialien amorph und relativ spröde sind, kann das Strecken nicht bei Raumtemperatur durchgeführt werden, sondern es ist notwendig, die Kernvorform auf eine Temperatur aufzuheizen, bei der das plastische (duktile) Verhalten vorherrscht, d.h. über die Glasübergangstemperatur des Materials.
Das Strecken der Kernvorform kann durch herkömmliches Ziehen in einem Ofen bewirkt werden, jedoch ist es normalerweise bevorzugt, die Vorform mit einer speziell konzipierten Vorrichtung zu strecken. Allgemein ausgedrückt basiert die Maschine zum Strecken der Vorform auf einer Belastungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Zugbelastung auf die Kernvorform auszuüben, welche an einer fixierten starren Struktur festgeklemmt wird, sowie auf einer Heizvorrichtung, um die Vorform auf die notwendige Temperatur zu bringen. Es ist ratsam, dass die Streckgeschwindigkeit gesteuert wird, um in guter Annäherung den erwünschten Durchmesser zu erhalten. Bevorzugt wird die Vorform während ihrer Streckung in einer vertikalen Richtung orientiert, um ein Verbiegen aufgrund der Schwerkraft zu verhindern.
Die Heizvorrichtung kann ein Umluft- oder Strahlungsofen sein, während die direkte Erhitzung mit einer Flamme bei Kunststoffmaterialien zu vermeiden ist. Im Allgemeinen wird das Strecken bei einer Temperatur durchgeführt, die höher als die Glasübergangstemperatur Tg, jedoch niedriger als die Ziehtemperatur des Polymers ist, um das Risiko der Beschädigung der Löcher zu verringern und eine nachfolgende Kalibrierung des gestreckten Stabs zu erlauben. Die gesamte Vorform oder nur ein Teil von ihr kann erhitzt werden; die letztere Lösung ist zu bevorzugen, da sie das Anklemmen viel leichter macht und zu einer besseren Steuerung des Durchmessers führt. Im Fall der lokalen Erhitzung kann sich die Heizvorrichtung mit geregelter Geschwindigkeit entlang der Vorform bewegen, was eine zylindrische gestreckte Vorform erzeugt.
Ein Beispiel einer Streckvorrichtung, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist schematisch in 5 gezeigt. Sie umfasst zwei starre Stangen 62, beispielsweise aus Stahl. Die obere Stange ist an einer fixierten starren Trägerstruktur angeklemmt. Eine Vorform 40 wird mit Stiften 63 an der oberen und unteren Stange befestigt. Im Gebrauch wird eine Kraft F auf die untere Stange ausgeübt. Eine Heizvorrichtung 51 ist dafür konzipiert, einen Teil der Vorform zu erhitzen. Die Heizvorrichtung kann entlang der Vorform auf geregelte Weise bewegt werden, wie durch den Pfeil 64 in 5 gezeigt ist.
Der Streckvorgang kann mehrere gestreckte Vorformen aus einer einzigen Kernvorform erzeugen, wobei eine verringerte Ausschlussmenge erzeugt wird.
In vielen Fällen ist es möglich, die Formgedächtniseigenschaften des Materials zu verwenden, das für die nachfolgende Kalibrierung der vorgestreckten Vorformen eingesetzt wird. Tatsächlich können Polymere aufgrund ihrer viskoelastischen Natur bei Temperaturen gezogen werden, an denen ihre viskoelastischen Eigenschaften nicht vernachlässigbar sind, und zwar aufgrund ihrer molekularen Orientierung, obwohl das plastische Verhalten vorherrschend ist. Wenn das Material daraufhin unter die Glasübergangstemperatur abgekühlt wird, verbleiben die orientierten Moleküle und dementsprechend die inneren Spannungen im Material eingefroren; eine neue Erhitzung über die Glasübergangstemperatur löst diese Spannungen, mit dem Ergebnis, dass das Material zu seiner vorherigen Form zurückzukehren neigt.
Dieses besondere Verhalten wurde tatsächlich an den gestreckten Kernvorformen aus PMMA beobachtet, die beim nachfolgenden Erhitzen dazu neigten, ihre Länge zu verringern und ihren Durchmesser zu erhöhen; überraschenderweise wurde das Phänomen dadurch verstärkt, dass im Wesentlichen unter Vakuum gearbeitet wurde, d.h. bei einem Druck von weniger als 0,2 bar. Dieses viskoelastische Verhalten kann ausgenutzt werden, um gestreckte Kernvorformen in einem dem Strecken nachfolgenden Schritt auf einen gewünschten Durchmesser zu kalibrieren indem die gestreckte Vorform in ein kalibriertes Rohr von geeignetem Innendurchmesser eingesetzt wird und dann bevorzugt unter Vakuum erhitzt wird. Die Stäbe nehmen die Form des Rohrs an, und zwar mit einer Präzision des Durchmessers, die herkömmlich nicht mit einfachem Strecken erhalten werden kann. Eine nachfolgende langsame Abkühlung entfernt die innere Restspannung.
Im größeren Detail gesagt, wenn eine Probe aus erweichten amorphen Polymeren (d.h. mit einer Temperatur, die höher als die Glasübergangstemperatur Tg ist) einer Elongationsbelastung unterzogen wird, ergibt sich eine Verformung der Probe, die die Summe eines elastischen Beitrags (der verschwindet, wenn die Belastung nicht mehr ausgeübt wird), eines permanenten plastischen (oder viskosen) Beitrags oder eines viskoelastischen Beitrags ist, der sich innerhalb einer bestimmten Zeit nach Beendigung der Belastung erholt. Je größer der elastische Beitrag, desto größer ist die Verringerung der Länge und die Zunahme des Durchmessers einer Probe nach Beendigung der ausgeübten Belastung.
Die viskoelastische Verformungskomponente kann als Prozentanteil der Verformung gemessen werden. In der Praxis ist eine x% betragende viskoelastische Verformung einer Probe als viskoelastische Verformung entlang der Richtung, in der die Verformungskraft ausgeübt wird, definiert, sodass ihre nachfolgende langsame Entspannung bei einer Temperatur über T_g in einer Umgebung ohne Zwangsbedingungen eine Abnahme von x% der Länge der gestreckten Probe entlang der Verformungsrichtung bewirkt.
Relativ geringe Temperaturen und hohe Elongationsgeschwindigkeiten erhöhen im Allgemeinen die viskoelastische Komponente der Verformung. Um im Allgemeinen die gleiche viskoelastische Verformung zu erhalten, ist bei einem Strecken mit niedriger Geschwindigkeit eine Temperatur näher an Tg notwendig als bei einer Streckung mit höherer Geschwindigkeit.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass in der Praxis für amorphe Polymere, wie z. B. jene, die erfindungsgemäß zur Herstellung optischer Vorformen verwendet werden können, eine viskoelastische Verformungskomponente von mehr als 10% der Gesamtverformung für die nachfolgende Vorformkalibrierung ausreichend ist.
Solch eine viskoelastische Verformung kann erhalten werden, indem der Streckungsschritt bei einer Temperatur von wenigen Graden über T_g (z.B. T_g + 10°C, bevorzugt T_g + 20°C) bis zur Ziehtemperatur durchgeführt wird. Bevorzugt ist die Streckungstemperatur niedriger als T_g + 100°C.
Um bevorzugt eine 2 bis 10-fache Verringerung des Durchmessers zu erzielen, wird der Streckungsschritt vorteilhafterweise in einer Zeit zwischen einer und 100 Minuten durchgeführt.
Wie oben erwähnt folgt dem Streckungsschritt eine schnelle Abkühlung auf eine Temperatur unter T_g, um eine wesentliche viskoelastische Verformung im Material für den nachfolgenden Kalibrierungsschritt „einzufrieren". Um zu vermeiden, dass die viskoelastische Komponente der Verformung sich während der Kühlungsphase entspannt, muss die gestreckte Kernvorform während des Abkühlens unter Zug gehalten werden, bis die Temperatur sich unterhalb der Glasübergangstemperatur des Materials befindet.
In der Praxis kann die Abkühlung in einer Zeit zwischen 5 und 60 Minuten stattfinden.
Beispielhafte Durchmesserwerte für das Wärmebehandlungsrohr liegen zwischen 2 und 20 mm. Die Wahl des Materials für das Wärmebehandlungsrohr ist unkritisch. Dieses Material muss bearbeitbar sein, um einen kalibrierten Innendurchmesser zu erzielen (eine Präzision der Größenordnung von 5% ist gewöhnlich ausreichend) und muss den Wärmebehandlungstemperaturen standhalten, gewöhnlich in einem Bereich von T_g + 5°C bis T_g + 25°C. In der Praxis sind geeignete Materialien Metalle, insbesondere Stahl.
Der Anmelder hat bestimmt, dass der Wärmebehandlungsschritt bevorzugt unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird, d.h. bei einem Druck von weniger als 0,2 bar, besonders bevorzugt bei einem Druck von kleiner gleich 0.1 bar.
Der Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb von T_g folgt eine langsame Abkühlung, um nach dem Kalibrierungsschritt die Stabilität sicherzustellen. Danach wird der Kernstab nach Abkühlung aus dem Kalibrierungsrohr entnommen, um so die unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten des Kalibrierungsrohrs und des Kernstabs auszunutzen.
Der Herstellungsschritt der Vorform wird durch Umhüllen fortgesetzt, d.h. durch Hinzufügen von neuem Material um den Kernstab. In einer Ausführungsform wird der Kernstab in der Mitte einer Gussform positioniert, und neues Material wird um ihn herum polymerisiert (6i und 6l). Die Form kann ein einfaches Rohr sein ähnlich der zur Herstellung der Kernvorform verwendeten Gussform, das an seinen Enden mit zwei Abdeckungen verschlossen ist. Der mittlere Kernstab wird mithilfe von Vorrichtungen, beispielsweise Zentrierungsringen, in Position gehalten, welche in dem Rohr angeordnet werden können oder auf den Abdeckungen maschinell angebracht werden können. Der Kernstab kann vollständig in die Form eingesetzt werden und diesem Fall sollten seine Enden geschützt werden, um zu vermeiden, dass neues Material die Löcher füllt; in anderen Fällen befinden sich die Enden außerhalb der Form, welche zu versiegeln ist. In jedem Fall können die Enden der neuen Vorform nach dem Ende des Prozesses weggeschnitten werden.
Das Material in Kontakt mit dem Kernstab kann ein zur Polymerisation veranlasstes Monomer sein oder ein Vorpolymer, das seinen Polymerisationsprozess vollendet. Der zweite Fall ist bevorzugt, wenn dasselbe Material für den mittleren Kernstab und die äußere Schicht verwendet wird, da das Monomer im Allgemeinen ein gutes Lösungsmittel für sein Polymer ist. Ein anderes Material als das des mittleren Kernstabs kann auch für die äußere Schicht verwendet werden, z.B. ein Material mit weniger strengen Transparenzeigenschaften, welches daher billiger ist. In der Tat ist eine hohe Transparenz (niedriger optischer Verlust) nur für den mittleren Kernstab notwendig, d.h. den Abschnitt der Vorform, aus welchem der Kern und die benachbarte optische Ummantelung in der gezogenen Faser erzeugt werden, d.h. nur die Abschnitte des Faserquerschnitts, wo sich das Licht tatsächlich ausbreitet.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Hohlzylinder mit dem notwendigen Innen- und Außendurchmesser verwendet und die gestreckte Kernvorform wird in ihn eingesetzt. Der Hohlzylinder kann leicht durch Polymerisation desselben oder eines anderen Monomers als die Kernvorform erhalten werden, indem eine rohrförmige Gussform verwendet wird, die einen mittleren Stab von geeignetem Durchmesser enthält und an ihren Enden mit zwei Abdeckungen mit Zentrierungsringen verschlossen ist, um den Stab an Ort und Stelle zu halten. Ansonsten kann der Hohlzylinder durch Extrusion eines Polymers, durch Bohren oder auf irgendeine andere geeignete Weise erhalten werden. Die gestreckte Kernvorform kann mit einem Durchmesser hergestellt werden, der geringfügig größer als das hohle Innere des Rohrs ist, sodass er durch Presspassung in Position gehalten wird. In diesem Fall kann die Expansion des Hohlzylinders und/oder das Schrumpfen der Kernvorform durch Erhitzen/Abkühlen das Einsetzen der gestreckten Kernvorform erleichtern. Ansonsten kann letztere in den Hohlzylinder durch Erhitzen oder mithilfe eines Lösungsmittels eingeklebt oder versiegelt werden. Das Kollabieren des äußeren Rohrs auf die Kernvorform kann auch direkt während des Ziehens stattfinden, z.B. durch Erhitzen des äußeren Rohrs und Verringern des Gasdrucks zwischen dem äußeren Rohr und der gestreckten Kernvorform.
Die so erhaltene Vorform kann gestreckt und weiter wenn nötig ein oder mehrere Male umhüllt werden bis ein erwünschtes Verhältnis (d/D) zwischen der Größe d der Löcher im mikrostrukturierten Teil des Querschnitts und dem Faserdurchmesser D erhalten wird.
Die Vorform kann dann mit irgendeinem herkömmlichen, gewöhnlich für optische Polymerfasern verwendeten Verfahren gezogen werden, um eine mikrostrukturierte Faser herzustellen, beispielsweise mit einem herkömmlichen Ziehturm (6m) für optische Polymerfasern, wie jenem, der im „Plastic Optical Fibers – Practical Applications" (Herausgeber J. Marcou, John Wiley & Sons, 1997) beschrieben ist. In mikrostrukturierten Glasfasern werden die Enden der Vorform bekanntlich versiegelt, um einen Lochverschluss während des Ziehens zu verhindern, indem der Innendruck der Luft in den Löchern gegen die Oberflächenspannungskräfte ausgenutzt wird. Im Fall der mikrostrukturierten Polymerfasern hat der Anmelder beobachtet, dass durch Halten der Löcher unter atmosphärischem Druck sie dazu neigen, ihren Durchmesser während des Ziehens geringfügig zu erhöhen. Dies kann ein scheinbarer Nachteil sein. Jedoch hat der Anmelder bestimmt, dass durch Versiegeln der Enden der Vorform und Erzeugen eines Vakuums außerhalb der Vorform der Druckunterschied, der durch Erhitzen der Luft in den Löchern weiter erhöht wird, die Löcher gleichförmiger machen kann und ihre Innenfläche auf Kosten eines geringfügigen Anstiegs ihrer Größe glätten kann. Dieser Anstieg der Lochgröße kann leicht im Designstadium der Lochstruktur kompensiert werden. Darüber hinaus kann die Lochgröße dadurch gesteuert werden, dass während des Ziehens der Druckunterschied beobachtet wird, d.h. der Grad des Vakuums außerhalb der Vorform.
Beispiele
Beispiel 1
500 ml von 99%-igen kommerziellem Methylmethacrylat (MMA) (Sigma-Aldrich) wurden gereinigt, indem sie in einer Glassäule durch basisch aktiviertes Alumina-Pulver (Sigma-Aldrich) geleitet wurden. Die Behandlung entfernt den Inhibitor und andere Verunreinigungen und lieferte MMA mit einer Reinheit von 99,7%.
Das gereinigte MMA wurde mit einem 0,45 μm-Filter gefiltert und in eine Glasampulle eingeführt; 0,05 Gewichtsprozent von 97%-igem Lauroylperoxid (Sigma-Aldrich) als Initiator und 0,43 Gewichtsprozent von 96%-igem 1-Dekanethiol (Sigma-Aldrich) als Kettentransfermittel wurden hinzugefügt. Diese Mischung, die frisch zubereitet wurde oder einige Tage in einem Kühlschrank bei 4°C gehalten wurde, wurde für alle nachfolgenden Beispiele verwendet.
Beispiel 2
Der Behälter war ein Glasrohr mit einem Innendurchmesser von 28 mm und einer Länge von 250 mm. Zwei Sätze Löcher mit 0,55 mm Durchmesser und einem Abstand von 5,5 mm wurden auf zwei Aluminiumabdeckungen in einer regelmäßigen dreieckigen Anordnung um ein mittiges fehlendes Loch gebohrt (2). Edelstahldrähte mit einem Durchmesser von 0,5 mm wurden in die Form eingesetzt und traten dabei durch beide Abdeckungen, welche mithilfe von Spannstangen an den Enden des Rohrs befestigt wurden. Die Drähte wurden an einem Ende gebogen und das andere Ende wurde in einen Schablonenrahmen eingesetzt und befestigt, welcher mit der oberen Abdeckung durch Gewindestäbe mit Muttern verbunden war, die zum Spannen der Drahtanordnung verwendet wurden. Tetrafluoroethylen-Dichtungen und O-Ringe aus Gummi wurden zwischen die Abdeckungen und das Glasrohr gelegt, während der äußere Teil der Abdeckungen in eine Polyurethanmasse eingekapselt wurde.
Die so aufgebaute Form wurde gründlich mithilfe eines gefilterten Lösungsmittels, welches durch sie mehrere Male mit einer peristaltischen Pumpe zirkuliert wurde, von Staub gereinigt. Das Lösungsmittel wurde unmittelbar vor Eintritt in die Form durch einen 0,2 μm-PTFE-Membranfilter online gereinigt. Der Reinigungsvorgang wurde beendet, wenn bei Durchleuchten des Lösungsmittels im Glasrohr mit einem Laserpointer mit visueller Inspektion keine Streuung mehr entdeckt werden konnte. Die Gussform wurde dann entleert und mit gefiltertem Stickstoff getrocknet, der über einen mit dem Rohr verschweißten Glasanschluss in die Form eingeführt wurde und mit einer Vakuum- und Gas-Behandlungsleitung verbunden war.
Eine Stickstoffatmosphäre wurde in der Form erzeugt, und 150 ml der MMA-Mischung des Beispiels 1 wurden durch einen 0,2 μm-Filter gefiltert und mit einer Spritze durch einen weiteren Glasanschluss in die Form eingeführt. Die Mischung wurde unter Vakuum sorgfältig entgast und in ein thermostatisches Wasserbad mit einer Temperatur von 42,5 °C gelegt. Nach drei Tagen wurde die Temperatur des Bads langsam auf 100°C erhöht (10°C pro Stunde), dann wurde die Form 1 Stunde lang bei 120°C in einem Ofen gelassen, und dann wurde die Polymervorform aus der Form entfernt. Darauf wurde die Polymervorform 12 Stunden lang bei 130°C unter Vakuum behandelt, um alle Spuren von Wasser und Restmonomeren zu entfernen.
Die Metalldrähte wurden durch lokales Erwärmen des Monomers entnommen, indem an sie 10 Sekunden lang ein Strom von 6 A angelegt wurde und sie daraufhin mit einer Last von ungefähr 5 N beaufschlagt wurde. Da der spezifische Widerstand der Edelstahllegierung 0,8 Ω × mm²/m beträgt, wurde eine Joule-Effekt-Leistung von 36 W dissipiert, die einer Wärme pro Einheitslänge von 0,34 cal/mm entspricht.
Nach Entnahme des Drahts wurde eine weitere Vakuumbehandlung 12 Stunden lang bei 125°C unter einem Druck von ungefähr 0,1 bar durchgeführt, um Spuren von Restmonomer oder anderen Zersetzungsprodukten zu entfernen die sich während der Entnahme des Drahts entwickeln könnten. Die so erhaltene Kernvorform war transparent und blasenfrei mit klar definiertem Lochmuster.
Beispiel 3
Mit Bezug auf 5 wurde die Kernvorform 40 an zwei Stahlstangen 62 mit Hilfe von Stiften 63 fixiert, die in an den Enden gebohrte Löcher eingesetzt wurden, und auf der in der Figur skizzierten Streckungsmaschine montiert. Die Kernvorform 40 wurde in einen rohrförmigen Ofen 51 eingeführt, bei 190°C erhitzt und 15 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten. Das Strecken wurde durch Ziehen der erhitzten Vorform von einem Ende aus durchgeführt, während sich der Ofen in die entgegengesetzte Bewegung bewegte: Typische Bedingungen waren 40 mm/Min Zuggeschwindigkeit und 1 mm/Min Ofengeschwindigkeit. Es folgte eine Abkühlung auf Raumtemperatur, während der Stab unter Zug gehalten wurde. Der Streckungsvorgang lieferte aus einer einzigen Kernvorform von 250 mm Länge zwei Stäbe von ungefähr 200 mm Länge und ungefähr zylindrischer Form. Der Durchmesser schwankte zwischen den Vorformen von 5 bis 5,8 mm.
Eine gestreckte Vorform wurde dann in ein Stahlkalibrierungsrohr mit Innendurchmesser von 6,1 mm und 150 mm Länge eingeführt und in einem Ofen bei 125°C vier Stunden lang unter Vakuum (0,1 bar) wärmebehandelt, gefolgt von einer sehr langsamen Abkühlung (12 Stunden) auf Raumtemperatur. Die Behandlung erzeugte eine zylindrische Vorform mit einem konstanten Durchmesser von 6,1 mm und 150 mm Länge. Die Löcher des Kernstabs enthielten im Wesentlichen die Dimensionsverhältnisse, und reduzierten sich dabei auf ungefähr 100 μm Durchmesser mit 1,1 mm Abstand.
Ein Rohr aus PMMA (Innendurchmesser 6 mm, Außendurchmesser 28 mm) wurde durch Polymerisation der Reaktionsmischung des Beispiels 1 erhalten. Die Form war dasselbe Glasrohr wie für die Kernvorform, in deren Mitte eine Tetrafluoroethylen beschichtete Edelstahlstange eingesetzt wurde und durch Zentrierlöcher in Position gehalten wurde, die maschinell in die beiden Abdeckungen eingebracht wurde.
Die gestreckte Kernvorform wurde in das Rohr eingeführt, wobei die geringfügige Interferenz durch geeignetes Erhitzen und Abkühlen der Teile überwunden wurde, sodass eine Vorform mit 28 mm Durchmesser hergestellt wurde, die in ihrer Mitte ein dreieckiges Array von um 1,1 mm beabstandeten 100 μm Löchern enthielt.
Die Vorform wurde dann in einem herkömmlichen POF-Ziehturm bei 220°C gezogen, wodurch eine Faser mit einem Durchmesser von 250 μm und mit Löchern von 0,9 μm, mit 10 μm Abstand, erhalten wurde.
Beispiel 4
Dieselbe Form wie in Beispiel 2 wurde zusammengebaut, indem anstatt der Stahldrähte 0,5 mm-Kunststoffdrähte verwendet wurden, die aus einem 220 μm-Kern aus perfluoriniertem zyklischem Polymer hergestellt waren (Cytop der Asahi Glass), mit einem Brechungsindex von 1,34, und einer PMMA-Beschichtung mit Brechungsindex 1,489. 150 ml der MMA-Mischung des Beispiels 1 wurden gefiltert, in die Form eingespritzt und mit demselben Verfahren wie in Beispiel 2 polymerisiert.
Die erhaltene Kernvorform mit den eingebetteten perfluorinierten Drähten wurde in einem herkömmlichen POF-Ziehturm bei 220°C gezogen, wodurch eine 250 μm-Faser mit einem Array von um 50 μm beabstandeten Bereichen niedrigen Brechungsindex mit 2 μm Durchmesser erhalten wurde.
Beispiel 5
200 cm³ von 2,2-3,3-Tetrafluoropropylmethacrylat (4 FMA) (Zentek) wurden gemäß dem Verfahren des Beispiels 1 gereinigt und gefiltert und mit 50 cm³ MMA gemischt.
Eine Reaktionsmischung wurde mit 0,1 Gewichtsprozent von Lauroylperoxid und 0,15 Gewichtsprozent von 1-Dekanethiol zubereitet und durch einen 0,2 μm-Filter in die in Beispiel 2 beschriebene Form eingeführt. Die Polymerisation wurde unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 2 durchgeführt, außer der Vakuumbehandlung, die 12 Stunden lang bei 100°C stattfand.
Die Kernvorform wurde nach Entnahme der Drähte gestreckt und mit der Vorrichtung des Beispiels 2 kalibriert: die Bedingungen waren 180°C, 40 mm/min Ziehgeschwindigkeit, 2 mm/min Ofengeschwindigkeit, wodurch eine 6 mm Vorform mit 100 μm Löchern erhalten wurde. Die gestreckte Kernvorform wurde in die Mitte des Reaktionsrohrs eingesetzt und die MMA-Mischung des Beispiels 1 wurde um sie herum polymerisiert, wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben.
Eine 6 mm messende, gestreckte Kernvorform aus 4FMA mit einer 28 mm messenden PMMA-Beschichtung wurde somit erzeugt: die Haftung zwischen den zwei Materialien war hervorragend. Die Vorform wurde in einem herkömmlichen POF-Ziehturm gezogen, wodurch eine mikrostrukturierte Faser mit einem Durchmesser von 250 μm hergestellt wurde.
Beispiel 6
Eine Vorform zum Erhalten einer photonischen Bandlückenfaser wurde mithilfe des diskontinuierlichen Polymerisationsverfahrens realisiert, das in Beispiel 2 beschrieben ist. Die Gussform unterschied sich von jener in den vorigen Beispielen beschriebenen in einiger Hinsicht. Sie hatte einen Innendurchmesser von 80 mm und enthielt 54 Metalldrähte von 1 mm Durchmesser, die entlang dreier koaxialer hexagonaler Kränze angeordnet waren, mit einem Drahtabstand von 2,5 mm. In der Mitte der Form wurde eine mit Tetrafluoroethylen beschichtete Edelstahlstange von 5 mm Durchmesser befestigt. Am Ende des Polymerisationsvorgangs wurden die Drähte und die Stange entnommen und die Vorform unterlief eine Wärmebehandlung unter Vakuum, wie im Beispiel 2 beschrieben. Schließlich wurde die Vorform in einem herkömmlichen POF-Ziehturm gezogen, wodurch eine mikrostrukturierte Faser mit einem Durchmesser von 250 μm hergestellt wurde. In dieser Faser betrug d/A = 0,4 und der Durchmesser des mittleren Führungsbereichs betrug 15,5 μm.
Die Faser kann ein Einmoden- oder Wenig-Moden-Verhalten, mit einer leichten Verbindbarkeit und Handhabung kombinieren, und zwar dank ihrer großen effektiven Fläche und der Eigenschaften des Kunststoffmaterials. Somit wäre ihr Einsatz besonders bei Daten-Nahübertragungsnetzwerken vorteilhaft, wie z.B. FTTH und LAN, wo gegenwärtig optische Multimoden-Polymerfasern (POFs) oder Glasfasern eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Zwischenvorform für die Herstellung einer mikrostrukturierten optischen Faser, umfassend: – Bereitstellen einer zylindrischen Form (20), die eine zentrale Achse (29) definiert, wobei die Form eine zylindrische Behälterwand (21), einen ersten Boden (22) und einen entfernbaren zweiten Boden (25) umfasst; – Anordnen einer Vielzahl von locherzeugenden Elementen (23) in der Form, welche geeignet sind, die inneren strukturellen Elemente der Zwischenvorform zu definieren; – Einführen eines flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers (11) in die Form; – Verfestigen des flüssigen Polymermaterials oder Polymervorläufers, um so einen festen zylindrischen Polymerkörper (30) zu erhalten, der die Zwischenvorform definiert und in dem die locherzeugenden Elemente eingebettet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die locherzeugenden Elemente lösbar am ersten und am zweiten Boden fixiert sind und mindestens ein locherzeugendes Element umfassen, das von der Zwischenvorform entfernbar ist, und dadurch, dass das Verfahren weiter umfasst: – Lösen der locherzeugenden Elemente aus dem ersten und zweiten Boden; – Entfernen des zweiten Bodens aus der Form; – Entfernen der zylindrischen Zwischenvorform aus der Form zusammen mit den darin eingebetteten locherzeugenden Elementen; – Entfernen des entfernbaren locherzeugenden Elements zum Ausbilden eines länglichen Lochs (41) in der Zwischenvorform durch Ausüben einer Belastung auf das entfernbare locherzeugende Element.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das entfernbare locherzeugende Element einen Durchmesser besitzt, der zwischen ungefähr 2 und 8 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, welches vor dem Eingießen des Polymervorläufers in die Form weiter das Beschichten des entfernbaren locherzeugenden Elements mit einer Schicht geringer Adhäsion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schicht geringer Adhäsion ein Schlauch ist, der über dem entfernbaren locherzeugenden Element angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Schicht geringer Adhäsion ein Fluorharz geringer Adhäsion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das entfernbare locherzeugende Element elektrisch leitfähig ist und der Schritt des Entfernens das Erhitzen des entfernbaren locherzeugenden Elements umfasst, indem ein elektrischer Strom durch es hindurchgeschickt wird, um so teilweise einen Abschnitt der Zwischenvorform proximal zum entfernbaren locherzeugenden Element zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das entfernbare locherzeugende Element ein Metalldraht ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Metalldraht im Wesentlichen aus Edelstahl hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das entfernbare locherzeugende Element einen Durchmesser besitzt, der zwischen ungefähr 0,1 und 2,0 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das entfernbare locherzeugende Element einen Durchmesser besitzt, der zwischen ungefähr 0,3 und 1,0 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–10, weiter umfassend das Erhitzen der Zwischenvorform mit dem länglichen Loch bei einer Temperatur von mehr als der Glasübergangstemperatur T_g bei einem Druck von weniger als 0,2 bar für eine ausreichende Zeit, um im Wesentlichen das aus der Depolymerisierung in dem Abschnitt der Zwischenvorform proximal zum entfernbaren locherzeugenden Element resultierende Monomer zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von locherzeugenden Elementen eine Vielzahl von locherzeugenden Elementen (23) umfasst, die aus der Zwischenvorform entfernbar sind, und wobei das Verfahren das Entfernen der Vielzahl von entfernbaren locherzeugenden Elementen umfasst, um ein vorbestimmtes Muster länglicher Löcher (41) in der Zwischenvorform zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl entfernbarer locherzeugender Elemente (23) vor der Entfernung der Zwischenvorform aus der Form symmetrisch um die zentrale Achse (29) der Form angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von locherzeugenden Elementen ein zentrales locherzeugendes Element besitzt, das koaxial zur zentralen Achse der Form ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach dem Anordnen einer Vielzahl von locherzeugenden Elemente in der Form das Isolieren der Form von außen und das Reinigen der Form durch Rezirkulation einer Flüssigkeit durch sie hindurch und durch Filtern der Flüssigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einführen des flüssigen optischen Polymermaterials oder des Polymervorläufers das Eingießen eines Polymervorläufers (11) in die Form umfasst und wobei das Verfestigen der Polymerverbindung die Polymerisierung des Polymervorläufers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Polymervorläufer ein Monomer oder ein Prepolymer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einführen des flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers das Eingießen oder Einspritzen eines geschmolzenen Polymers in die Form umfasst und wobei das Verfestigen des Polymermaterials oder Polymervorläufers das Kühlen des geschmolzenen Polymers umfasst, um es so zu verfestigen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einführen des flüssigen optischen Polymermaterials oder Polymervorläufers das Einsetzen eines pulverförmigen Polymers in die Form umfasst und wobei das Verfestigen des Polymermaterials oder Polymervorläufers das Sintern des pulverförmigen Polymers umfasst.