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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung
einer optischen Faser mit Längslöchern.
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Herkömmlicherweise
besteht eine Lochfaser aus einem dielektrischen Massenmaterial,
wie beispielsweise Siliciumdioxid, das eine Verteilung von Motiven,
so genannten „Löchern" einschliesst, die
einen gleichmäßigen Abstand
haben. Die Löcher
bestehen im Allgemeinen aus Luft, können aber aus einem anderen
dielektrischen Material als Siliciumdioxid bestehen, das einen davon
verschiedenen Brechungsindex, vorzugsweise einen niedrigeren Index, aufweist.
In einer Faser weisen die Löcher
die Form von Rohren auf, die sich in Längsrichtung entlang der Faser
in der Richtung der Signalausbreitung erstrecken. Eine derartige
Faserstruktur wurde in der Veröffentlichung „All silica
single mode optical fiber with photonic crystal cladding" von J.C. Knight
et al, Optical Letters, Band 21, Nr. 19, S. 1547–1549, 1.10.1996, beschrieben.
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In
einer Lochfaser werden zwei Mechanismen zur Lenkung des Lichts eingesetzt.
Zum einen eine Lenkung durch innere Totalreflexion, im Zusammenhang
mit der Tatsache, dass der die Löcher
beinhaltende Bereich einen geringeren Index aufweist als Siliciumdioxid,
und zum anderen eine Lenkung durch Photonenband, die nicht gestattet
ist, wenn die Löcher
entsprechend einer periodischen Struktur angeordnet sind und diese
Periodizität
auf der Ebene des Kerns der Faser unterbrochen ist.
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Die
gleichmäßige Anordnung
der Löcher
im Siliciumdioxid ermöglicht
es, eine solche Struktur mit einem Kristall gleich zu setzen, der
als Photonenkristall bezeichnet wird und dessen Charakteristika
unter anderem durch den Abstand zwischen den Löchern bestimmt wird, das heißt, den
Schritt und den Füllungsgrad
der Löcher
im Massenmaterial (in der englischen Terminologie als „air filing" bekannt), das heißt hängt vom
Durchmesser dieser Löcher
ab.
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Die
optischen Lochfasern weisen in Bezug auf Farbdispersion, Polarisationserhaltung,
Wirkfläche
interessante Eigenschaften auf, was sie sowohl als Komponentenfaser
als auch als Leitungsfaser attraktiv macht.
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Die
Fertigung der Lochfasern basiert auf einer bereits bekannten Fertigungstechnik
für so
genannte „mikrostrukturierte" optische Faser.
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Insbesondere
das europäische
Patent
EP 0 810 453
B1 beschreibt ein Verfahren zur Fertigung einer solchen
Faser. Ein den Kern bildender Siliciumdioxidstab wird mit Kapillarrohren
umhüllt,
wobei das ein Bündel
bildende Ganze in einer Vorform angeordnet wird. Die Faser wird
dann von einem erwärmten Ende
der Vorform aus gezogen, wobei die Kapillarrohre am anderen Ende
versiegelt werden.
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Das
Dokument
EP 1 325 893
A1 , eine europäische
Patentanmeldung wie in Artikel 54(3) CBE definiert, beschreibt ein
anderes Fertigungsverfahren entsprechend dem die beiden Enden der
Kapillarrohre versiegelt werden, nachdem sie mit einem gegenüber der
Erzeugung von Hydroxylgruppen inerten Gas befüllt wurden.
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Die
Geometrie der Lochfaser hängt
vom Zusammenbau der Kapillarrohre um den Mittelstab herum ab, der
den führenden
Teil der Faser bildet. Die vorbereitende Fertigung der Kapillarrohre
ist also entscheidend, da sie den Durchmesser der Löcher der
Faser bestimmt, das heißt
direkt auf den Füllungsgrad
wie vorstehend definiert einwirkt, und somit auf die Lenkungseigenschaften
der gewonnenen Faser.
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1 ist
eine schematische Schnittansicht einer Ziehvorform für die Herstellung
einer optischen Faser mit Mikrostrukturen.
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Die
Kapillarrohre 12 erhält
man im Allgemeinen durch Reduzieren und Ziehen eines Rohres, beispielsweise
aus Siliciumdioxid oder Silicat, das einen Innendurchmesser Φint und
einen Außendurchmesser Φext mit
einem genau festgelegten Verhältnis Φint/Φext aufweist.
Beispielsweise kann das Reduzieren der Kapillarrohre an einer Glaserwerkbank
mit einem Brenner oder einem Ofen durchgeführt werden und das Ziehen erfolgt
herkömmlicherweise
an einer Faserziehbank. Reduzieren und Ziehen können auch gleichzeitig an einer
Faserziehbank durchgeführt
werden.
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Die
so erhaltenen Kapillarrohre werden dann als Bündel um den Mittelstab 15 herum
in der Ziehvorform zusammengefügt.
Die Ziehbedingungen, wie die Temperatur und die Geschwindigkeit
können
es ermöglichen,
das Verhältnis Φint/Φext abzuändern und
den endgültigen
Schritt Λ zwischen
den Löchern festlegen.
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Je
nach Anwendung kann der Mittelstab 15 aus reinem oder beispielsweise
mit Dotanten wie Ge, P, Al, La, Ga, Nb, Li oder Dotanten aus Seltenerden wie
Er, Yb, Ce, Tm, Nd gedoptem Siliciumdioxid bestehen.
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Der
Graph aus 2 illustriert die Dämpfung in
einer Lochfaser, die durch ein Verfahren wie vorstehend beschrieben
gewonnen wurde. Die Spektraldämpfung
AS(λ) ausgedrückt in dB
pro Kilometer wird von dem folgenden Ausdruck abgeleitet: AS(λ)
= 10 log [[PL(λ) – Pl(λ)]/(l – L)]
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Wobei:
PL, die am Ende einer „großen Faserlänge" L gemessene Leistung,
Pl, die am Ende einer „kleinen Faserlänge" l gemessene Leistung,
was einem Ende des Abschnitts L entspricht.
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Man
stellt das Auftreten von großen
Dämpfungspeaks
bei 950nm, 1250nm und 1390nm fest, die direkt zusammenhängen mit
dem Vorhandensein von Hydroxylgruppen (OH). Beim Fertigungsverfahren
entstehen nämlich
Hydroxylgruppen und werden an den Grenzflächen der Kapillarrohre absorbiert, was
eine Verunreinigung der Faser nach sich zieht.
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Diese
Verunreinigung ist den Faserherstellern wohl bekannt, aber sie wird
bei den herkömmlichen
Fasern beherrscht und auf ein geringes Niveau beschränkt, insbesondere
dank der Tatsache, dass die Grenzfläche Luft-Siliciumdioxid von
dem Bereich entfernt ist, in dem sich das Signal ausbreitet. Bei
den Lochfasern hingegen werden die Grenzflächen Luft-Siliciumdioxid bei
Kontakt mit dem Ausbreitungssignal vervielfacht, was große Absorptionspeaks
in dem Arbeitswellenlängenbereich
bewirkt.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, den Beitrag der Peaks, der mit
dem Vorhandensein der Hydroxylgruppen in einer Lochfaser in Zusammenhang
steht, zu senken.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung die Herstellung einer selbst reinigenden Schicht im
Inneren der Kapillarrohre vor, wobei diese Schicht fähig ist,
mit den Hydroxylgruppen zu reagieren, um sie in Form von flüchtigen
Verbindungen zu entfernen.
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Im
besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
zur Fertigung einer optischen Faser mit Mikrostrukturen, welches
die folgenden Schritte beinhaltet:
- • Herstellung
einer Vielzahl von Kapillarrohren durch Reduzieren und Ziehen von
Rohren;
- • Zusammenfügen der
Kapillarrohre um einen Mittelstab herum zwecks Bildung eines in
einer Vorform angeordneten Bündels;
- • Ziehen
des Bündels
zwecks Bildung der Faser;
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt
Herstellung einer selbst reinigenden Schicht im Inneren der Kapillarrohre
beinhaltet, wobei diese Schicht Moleküle enthält, die fähig sind, mit Hydroxylmolekülen (OH)
zu reagieren, um flüchtige
gasförmige
Verbindungen zu erzeugen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsart
wird die selbst reinigende Schicht auf der Innenseite der Kapillarrohre
nach der Fertigung dieser Rohre hergestellt, beispielsweise durch
eine Gasphasenabscheidungstechnik (MCVD, Modified Chemical Vapor
Deposition; PCVD, Plasma Chemical Vapor Deposition; SPCVD, Surface
Plasma wave Chemical Vapor Deposition) oder durch eine Technik des
Typs Sol-Gel.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsart
erfolgt die Herstellung der selbst reinigenden Schicht bei der Fertigung
der Kapillarrohre durch Verdampfungs- und Verdichtungstechniken,
die unter der englischen Terminologie OVD für Outside Vapor Deposition
oder VAD für
Vapor Axial Deposition bekannt sind, oder durch eine Technik des
Typs Sol-Gel.
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Gemäß einem
Kennzeichen wird die selbst reinigende Schicht ausgehend von gasförmigen Vorläufern hergestellt,
die mindestens Chlor- (Cl) und/oder Fluor-Atome (F) enthalten.
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Die
Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorform für optische
Faser mit Mikrostrukturen, die eine Vielzahl von Kapillarrohren
enthält,
die um einen Mittelstab herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kapillarrohre eine selbst reinigende Schicht beinhalten,
welche Moleküle
enthält,
die fähig
sind, mit Hydroxylmolekülen
(OH) zu reagieren, um flüchitge
gasförmige
Verbindungen zu erzeugen.
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Gemäß einem
Kennzeichen der Vorform für optische
Faser gemäß der Erfindung
enthält
die selbst reingende Schicht mindestens Chlor- (Cl) und/oder Fluor-(F)-Atome.
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Je
nach Ausführungsart
ist die selbst reinigende Schicht auf der Innenseite der Kapillarrohre angeordnet
oder in den Werkstoff der Kapillarrohre eingearbeitet.
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Die
Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung treten bei
der Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung deutlicher zutage, die als veranschaulichendes
und nicht einschränkendes
Beispiel gegeben wird und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
erfolgt, auf denen:
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die
bereits beschriebene 1 ein Schnittschema einer Lochfaservorform
ist;
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die
bereits beschriebene 2 ein Graph ist, der die Dämpfung einer
Lochfaser in Abhängigkeit von
der Wellenlänge
darstellt;
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3 und 4 Zieh-Vorformen
für Lochfaser
illustrieren.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
besteht darin, eine optische Faser mit Mikrostrukturen zu fertigen,
die eine verminderte Dämpfung
auf Grund der Adsorption des optischen Signals durch die OH-Moleküle aufweist,
die bei der Herstellung der Faser durch das Siliciumdioxid absorbiert
werden.
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Das
Verfahren beinhaltet einen Schritt Herstellung einer Vielzahl von
Kapillarrohren gemäß einem
zuvor beschriebenen herkömmlichen
Reduzier- und Zieh-Verfahren an Rohren beispielsweise aus reinem
oder gedoptem Siliciumdioxid, die einen Innendurchmesser Φint und
einen Außendurchmesser Φext mit
einem festgelegten Verhältnis Φint/Φext aufweisen.
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Gemäß der Erfindung
wird eine selbst reinigende Schicht im Inneren der Kapillarrohre
niedergeschlagen, wobei diese Schicht Moleküle enthält, die fähig sind, mit den Hydroxylgruppen
(OH) zu reagieren, um gasförmige
Verbindungen zu bilden, die entfernt werden können, wie beispielsweise die
H2O-, HCl- ou HF-Moleküle. Das Vorhandensein dieser selbst
reinigenden Schicht wird es ermöglichen,
die bei dem Lochfaser-Herstellungsverfahren erzeugten Hydroxylgruppen
zu entfernen. Außerdem
kann diese selbst reinigende Schicht vorteilhaft mit Metallschadstoffverbindungen
reagieren, beispielsweise Eisenverbindungen, um flüchtige gasförmige Verbindungen
zu bilden, die entfernt werden sollen.
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Die
selbst reinigende Schicht beinhaltet Elemente, die mit den Hydroxylgruppen
reagieren können,
beispielsweise Fluor- (F) und/oder Chlor- (Cl)-Moleküle. Diese selbst reinigende
Schicht kann eine Dicke zwischen 50μm und 3mm aufweisen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsart
kann die selbst reinigende Schicht auf der Innenseite der Kapillarrohre
zum Beispiel durch klassische Gasphasenabscheidungstechniken niedergeschlagen
werden, die unter den englischen Abkürzungen MCVD für Modified
Chemical Vapor Deposition, PCVD für Plasma Chemical Vapor Deposition
oder SPCVD für Surface
Plasma wave Chemical Vapor Deposition bekannt sind. Das Niederschlagen
der selbst reinigenden Schicht erfolgt dann nach der Fertigung der Kapillarrohre
vor deren Zusammenfügung
im Bündel.
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Die
selbst reinigende Schicht kann auch durch eine herkömmliche
Technik des Typs Sol-Gel niedergeschlagen werden, die darin besteht,
die Rohre mit einer Lösung
aus Vorläufern
des Typs Alkoxide zu befüllen
und diese Lösung
zu entleeren, um eine dünne
Filmablagerung auf den Innenwänden der
Rohre zu hinterlassen.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsart
kann die selbst reinigende Schicht in das Siliciumdioxid der Kapillarrohre
eingearbeitet werden, und zwar unmittelbar bei der Herstellung dieser
Kapillarrohre, beispielsweise durch klassische Gasphasenabscheidungstechnik
und Verdichtung des Niederschlags, die unter den englischen Abkürzungen
OVD für
Outside Vapor Deposition, oder VAD für Vapor Axial Deposition bekannt
sind oder auch durch eine Technik des Typs Sol-Gel, wobei ein verdichteter
poröser
Niederschlag bei der Fertigung der Rohre erzeugt wird.
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Die
selbst reinigende Schicht wird gemäß einer der vorstehend beschriebenen
Techniken gewonnen, ausgehend von gasförmigen Vorläufern, die mindestens Fluor
(F) und/oder Chlor (Cl) enthalten, wie beispielsweise die Verbindungen
(SiF4) und/oder (C2F6).
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Die
eine selbst reinigende Schicht enthaltenden Kapillarrohre werden
dann um einen Mittelstab herum zusammengefügt, um ein Bündel zu
bilden, das in einer Vorform zwecks Ziehen der Faser gemäß klassischen
Techniken angeordnet wird.
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3 illustriert
eine klassische Vorform 10 für das Ziehen und/oder Faserziehen
von Lochfasern. Die Kapillarrohre werden in einer Muffe 11 angeordnet
und an einem Ende durch eine massive Schweißnaht, welche die Löcher verschließt, verschweißt. Am anderen
Ende bleiben die Rohre 12 offen und werden durch eine Punktschweißung fest
an einem Außenkranz 21 verbunden.
Am verschlossenen Ende der Rohre 12 wird ein Faserziehschaft 22 angebracht.
Nach dem Zusammenfügen
wird die Muffe 11 unter Vakuum mit einer Temperatur von 1000 °C entgast.
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Die
Vorform 10 wird dann gemäß klassischen Techniken (Zieh-Traktor
auf Faserziehbank) gezogen oder direkt fasergezogen. Hierfür wird die Vorform
bei der Bildung des Tropfens, der es ermöglicht, die Kapillarrohre am
unteren Ende der Vorform zu verschließen und das Innere der Kapillarrohre
von der Vakuumkammer zu isolieren unter Umgebungsdruck gehalten.
Das Ziehen erfolgt unter Vakuum vermittels der Pumpmuffe 23,
was es gestattet, die Zwischenräume
zwischen den Kapillarrohren sowie die Hohlräume zwischen der Muffe 11 und
den Außenrohren
des Aufbaus zu reduzieren.
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4 illustriert
eine Vorform 30, die vorteilhaft für das Faserziehen von Lochfasern
mit Doppelmantel eingesetzt werden kann, wobei die Löcher in einem
Innenmantel liegen. Die Hauptschwierigkeit dieses Fasertyps liegt
darin, den die Löcher
enthaltenden Mantel bezogen auf den Außenmantel richtig zu zentrieren.
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Im
Allgemeinen wird eine solche Doppelmantel-Lochfaser in zwei Schritten
gefertigt, wobei der erste Schritt darin besteht, den Kern und den
die Löcher
enthaltenden Innenmantel gemäß der vorstehend
beschriebenen Technik herzustellen, um einen Stab 32 zu
bilden, und der zweite Schritt darin besteht, diesen Stab 32 für das Faserziehen
des Außenmantels
in einer neuen Vorform 30 abzusetzen.
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Vorteilhafterweise
beinhaltet die Vorform 30 dann eine Vakuumkammer 33.
Die Länge
der Muffe 31 begrenzt den Bereich der Vorform, der für das Faserziehen
geeignet ist. Der Stab 32 ist länger als die Muffe 31,
was es beim Faserziehen den flüchtigen gasförmigen Verbindungen,
die durch die Reaktion der selbst reinigenden Schicht mit den Hydroxylgruppen
oder den Schadstoffmetallverbindungen gebildet werden, ermöglicht,
in den oberen Teil der Vorform zu wandern, der auf Umgebungstemperatur
gehalten wird.
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Der
Stab 32 wird an den beiden Enden verschlossen, um einen Überdruck
innen in den Löchern des
Innenmantels aufrecht zu erhalten, der bereits beim Faserziehen
gezogen wurde. Dann erfolgt das Faserziehen des Außenmantels
unter Vakuum, was es erlaubt, den Außenmantel gut gegen den Innenmantel
zu drücken
und den Kern der Faser einwandfrei zu zentrieren.
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Text der Zeichnungen: 2:
Abschwächung
x-Achse, Wellenlänge
y-Achse
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KURZFASSUNG
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Optische
Faser mit Mikrostrukturen, die eine Vielzahl von Kapillarrohren
enthält,
welche um einen Mittelstab herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kapillarrohre eine selbst reinigende Schicht beinhalten,
die Moleküle
enthält,
die fähig sind,
mit Hydroxylmolekülen
(OH) zu reagieren, um flüchtige
gasförmige
Verbindungen zu erzeugen.