-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen
von optischen Fasern.
-
Bei einem herkömmlichen Ziehverfahren zur Herstellung einer
optischen Faser wird die optische Faser durch Erhitzen und
Schmelzen eines Vorformlings für die optische Faser in einem
Ziehofen und Ziehen der Faser vom Vorformling mit einer
bestimmten Rate durch eine Aufwickelvorrichtung hergestellt.
Die optische Faser, die den Ofen gerade verlassen hat und
intakt geblieben ist, d.h., eine sogenannte "nackte Faser",
neigt dazu, durch Feuchtigkeit beträchtlich geschädigt und
beeinf lußt werden. Deshalb wird die nackte Faser gewöhnlich
mit einem ultraviolett aushärtbaren Harz oder einem
warmaushärtenden Harz in einer Harzbeschichtungsvorrichtung,
die z.B. einen Ziehring umfaßt, beschichtet, das Harz wird
anschließend in einer Harzaushärtevorrichtung ausgehärtet
und dann wird die Faser als eine beschichtete optische Faser
aufgewickelt. Der Durchmesser der nackten Faser wird durch
eine Meßvorrichtung vor dem Beschichtungsschritt gemessen,
und auf dessen Basis werden die Bedingungen während des
Ziehens gesteuert, so daß der Außendurchmesser der Faser ein
gewiinschter Durchmesser ist.
-
Die Position, an der die Durchmessermeßvorrichtung
angeordnet ist, wurde nicht als kritisch angesehen und die
Vorrichtung ist gewöhnlich unmittelbar unterhalb des
Ziehofens angeordnet, wie in der japanischen
Kokai-Patentveröffentlichung Nr. 295260/1986 gezeigt.
-
Wenn es irgendeine Einschränkung der Position der
Meßvorrichtung gegeben hat, war es, daß die Meßvorrichtung
nicht direkt einer starken Lichtstrahlung aus einem unteren
Abschnitt des Ofens ausgesetzt sein sollte, um eine
Erhitzung auf eine außergewöhnliche Temperatur zu vermeiden.
Zusätzlich ging man davon aus, daß die Meßvorrichtung besser
nahe beim Ofen angeordnet wird, um die Zeitverzögerung für
eine Korrektur zu verkürzen und das Steuerergebnis zu
verbessern, wenn die Schwankung im Durchmesser der optischen
Faser durch Regelung einer Ziehrate in Abhängigkeit von
einem Ausgangssignal der Meßvorrichtung unterdrückt werden
muß.
-
Daher ist bei einer herkömmlichen Herstellung einer
optischen Faser der Abstand zwischen der
Außendurchmesser-Meßvorrichtung und dem Ziehring gewöhnlich
größer als der zwischen dem Ziehofen und der
Außendurchmesser-Meßvorrichtung, oder eine
Zwangskühlungsvorrichtung wird zwischen der Meßvorrichtung
und dem Beschichtungs-Ziehring angeordnet, um eine bessere
Harzbeschichtung zu erreichen.
-
Bei dem herkömmlichen Ziehverfahren zur Herstellung der
optischen Faser war die Ziehrate der optischen Faser in der
Größenordnung von 100 m/min. Kürzlich ist die Ziehrate
bemerkenswert erhöht worden und es wurde berichtet, daß in
einem experimentellen Rahmen eine Rate von 1000 m/min.
realisiert wurde. Jedoch wurde festgestellt, daß, wenn eine
so hohe Ziehrate bei einem herkömmlichen Verfahren
angewendet wird, bei dem die Meßvorrichtung unmittelbar
unterhalb des Ofens angeordnet ist, der Außendurchmesser der
fertigen optischen Faser extrem kleiner ist als der
Durchmesser, der von der Meßvorrichtung gemessen wird. Da
die Genauigkeitsanforderungen an einen absoluten Durchmesser
der optischen Faser und die zulässigen Toleranzen für den
Durchmesser strikter werden, weil eine bessere Verbindung
zwischen den Fasern benötigt wird, ist die Entwicklung eines
Verfahrens, das die Genauigkeit des Außendurchmessers der
optischen Faser verbessert, sehr erwünscht.
Z.B. wird gewöhnlich gefordert, daß die Genauigkeit des
Durchmessers einer optischen Faser auf Quarzbasis im Bereich
von 125um ± 1 um liegt. Wenn man die Genauigkeit der
Meßvorrichtung selbst und die Schwankung im Durchmesser der
optischen Faser, die während der Herstellung auftreten kann,
berücksichtigt, sollte eine Abweichung des gemessenen
Durchmessers, wie er von der Meßvorrichtung ermittelt wird,
vom tatsächlichen Durchmesser der fertigen Faser nicht
größer als 0.5% des Außendurchmessers der fertigen Faser
sein. Deshalb ist es wünschenswert, ein Verfahren zu
entwickeln, das eine Abweichung von 0.5% oder weniger
erzielt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ziehverfahren
zur Herstellung einer optischen Faser zu schaffen, bei dem
eine verbesserte Genauigkeit eines Absolutwerts eines
Durchmessers einer optischen Faser sichergestellt ist, und
besonders ein Ziehverfahren zu schaffen, bei dem jegliche
Abweichung des mit einer Meßvorrichtung gemessenen
Außendurchmessers der Faser vom tatsächlichen Durchmesser
der fertigen optischen Faser kleiner als die Abweichung ist,
wie sie beim herkömmlichen Verfahren erreicht wird.
-
Es wurde festgestellt, daß, wenn die optische Faser mit
Steuerungsbedingungen auf der Basis eines Ausgangssignals
der Meßvorrichtung für den Außendurchmesser der optischen
Faser gezogen wird, die Position der Meßvorrichtung den
Durchmesser der fertigen optischen Faser beträchtlich
beeinflußt und eine geeignete Kontrolle der Position die
Abweichung minimiert, obwohl eine derartige Positionierung
nicht für Hochgeschwindigkeitsziehen bemerkt wurde.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ziehverfahren zur
Herstellung einer optischen Faser geschaffen, das das Ziehen
der optischen Faser von einem Vorformling umfaßt, der
deshalb angespannt ist, um die optische Faser während des
Erhitzens und Schmelzens des Vorformlings zu formen, wobei
die Ziehbedingungen mittels der Abweichung eines gemessenen
Durchmessers der unbeschichteten Faser von einem
vorgewählten Außendurchmesser gesteuert werden, dadurch
gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der optischen
Faser, die mit keiner Beschichtung versehen worden ist, an
einer Position gemessen wird, von der aus die Schrumpfung
des Außendurchmessers der optischen Faser auf den
Durchmesser der fertigen Faser nicht größer als 0.5% ist,
vorzugsweise 0.5% bis 0.3%.
-
Wie er hier verwendet wird, soll der Begriff "Schrumpfung"
ein Verhältnis der Durchmesserdifferenz zwischen der
optischen Faser an der Meßposition und der optischen Faser,
die das Schrumpfen beendet hat, zum Außendurchmesser der
optischen Faser, die das Schrumpfen beendet hat, bezeichnen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Temperatur der optischen Faser an der
Meßposition des Außendurchmessers niedriger als der
Glasaufweichpunkt des Werkstoffs der optischen Faser.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird die Ziehrate (oder lineare
Geschwindigkeit) vom Vorformling in Abhängigkeit von der
Abweichung variiert, um den Außendurchmesser der optischen
Faser zu steuern.
-
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
-
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, bei der eine Abweichung
eines Ausgangssignals einer
Außendurchmesser-Meßvorrichtung von einem
gewünschten Werd für den Außendurchmesser in einer
Recheneinheit verarbeitet wird und die Ziehrate der
optischen Faser während der Herstellung auf der
Basis der Ergebnisse der Einheit gesteuert wird;
-
Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, bei der zwei
Meßvorrichtungen für den Außendurchmesser der
optischen Faser vorhanden sind, eine zur Verwendung
während eines Niedriggeschwindigkeitsziehens und die
andere zur Verwendung während eines Ziehens mit
gewöhnlicher Geschwindigkeit.
-
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der das Bezugszeichen 1 den Vorformling der
optischen Faser bezeichnet, 2 einen Ziehofen bezeichnet, 3
eine Außendurchmesser-Meßvorrichtung bezeichnet, 4 einen
Ziehring zur Harzbeschichtung bezeichnet, 5 eine
Harzaushärtevorrichtung bezeichnet und 6 eine
Aufwickelvorrichtung für die optische Faser bezeichnet. Der
Vorformling 1, der im Ofen 2 erhitzt und geschmolzen wird,
wird unter Spannung gedehnt, um die optische Faser 11 zu
formen, die durch eine (nicht dargestellte) Spule
aufgenommen wird, die in der Aufwickelvorrichtung
installiert ist. In Fig. 1 ist Z der Abstand von einem
Auslaß des Ziehofens zur Meßvorrichtung 3. Im allgemeinen
ist ein zusätzlicher Beschichtungsziehring und eine
Aushärtevorrichtung zwischen der Aushärtevorrichtung 5 und
der Aufwickelvorrichtung 6 angeordnet. Die vorliegende
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Außendurchmesser-Meßvorrichtung 3 in einer Position
angeordnet ist, von der die Schrumpfung des
Außendurchmessers der optischen Faser 11 auf den Durchmesser
dieser fertigen Faser nicht größer als 0.5% ist,
vorzugsweise 0.5% bis 0.3%. Als ein Ergebnis ist die
Position unterhalb der herkömmlichen Position der
Meßvorrichtung angeordnet.
-
Im allgemeinen verringert sich der Außendurchmesser des
Vorformlings im Ofen allmählich entsprechend einer axialen
Veränderung der Vorformlingtemperatur (aus einer
Viskositätsänderung des Vorformlingwerkstoffs resultierend).
Ferner ist der Durchmesser des Schrumpfungsabschnitts des
Vorformlings abhängig von der Ziehrate, dem Außendurchmesser
des Vorformlings und der Vorformlingtemperatur am Auslaß des
Ofens. Natürlich hängt der Außendurchmesser der optischen
Faser ab vom Vorformlingdurchmesser, strukturellen FakLoren
des Ziehofens wie dessen Heizlänge, der Größe des
Ofenauslasses und der Flußrate und der Beschaffenheit des
Edelgases. Deshalb liegt die vorliegende Erfindung nicht nur
in der Kontrolle des Abstands zwischen dem Auslaß oder einem
Zentrum des Ziehofens 2 und der Meßvorrichtung 4 für den
Außendurchmesser der optischen Faser, sondern ebenso
insgesamt in einer Kontrolle der oben beschriebenen Faktoren.
-
Es ist bekannt, daß eine Temperatur T (ºC) der optischen
Faser bei einer Position, die Z (m) vom Auslaß des Ziehofens
entfernt ist, gemäß der folgenden Gleichung (I) geschätzt
wird:
-
T = T&sub0; + (TS - T&sub0;) exp(-a Z/VF) (I)
-
wobei T&sub0; die Zimmertemperatur (ºC) ist, TS die
Temperatur (ºC) einer optischen Faser unmittelbar nach dem
Verlassen des Ofens ist, Z (m) der Abstand von einem Auslaß
des Ofens 2 zu einer Position, an der der Außendurchmesser
der optischen Faser gemessen wird, ist, VF die Ziehrate
(oder Lineargeschwindigkeit) (m/min.) ist und a eine
Konstante abhängig vom Durchmesser der optischen Faser, von
der spezifischen Wärme der optischen Faser und der
thermischen Wärmeleitfähigkeit zwischen der optischen Faser
und der Atmosphäre ist.
-
Wie aus der obigen Gleichung (I) ersichtlich, ist die
Temperatur der optischen Faser, wenn Z auf einen bestimmten
Wert festgelegt ist, um so höher, je größer die
Lineargeschwindigkeit, d.h., je größer VF ist.
-
Mit einer Vorrichtung, die die in Fig. 1 gezeigten
Komponenten umfaßt, mit der ein stabiler Betrieb bis zu
einer Ziehrate von 300 m/min. ausgeführt werden kann, wurde
die optische Faser wiederholt mit verschiedenen Werten von
Z, dem Abstand vom schrumpfenden Teil des Vorformlings 1 zur
Außendurchmesser-Meßvorrichtung 3, hergestellt. Während
dieser Herstellung wurde der Durchmesser der optischen Faser
11 durch die Meßvorrichtung 3 gemessen und der Durchmesser
der erhaltenen optischen Faser, von der ihre Beschichtung
abgestreift worden ist (d.h. der tatsächliche Durchmesser
der optischen Faser), wurde tatsächlich durch ein genaues
Mikrometer gemessen. So wurde festgestellt, daß im Falle
einer Ziehrate mit 300 m/min. die Differenz zwischen dem von
der Meßvorrichtung 3 gemessenen Durchmesser der optischen
Faser und dem tatsächlichen Durchmesser der optischen Faser
weniger als 0.5% ist, wenn die optische Faser unterhalb
einer Temperatur gekühlt wird, bei der die Schrumpfung des
Durchmessers der optischen Faser unter Spannung an dem
Punkt, an dem der Außendurchmesser mit der Meßvorrichtung
gemessen wird, 0.5% oder weniger ist.
-
So wird die Position, an der die Meßvorrichtung angeordnet
wird, auf der Basis der Schätzung der Fasertemperatur gemäß
der Gleichung (I) und verschiedenen Experimenten wie folgt
festgelegt:
-
Zuerst wird die Differenz zwischen dem gemessenen
Außendurchmesser und dem tatsächlichen Außendurchmesser für
verschiedene Positionen der Meßvorrichtung 3 erhalten. Dann
wird eine Beziehung zwischen der Differenz und der
Meßposition aufgestellt. Schließlich wird die Position
ermittelt, an der die Differenz geringer als 0.5% ist. Die
Meßvorrichtung wird dann an dieser Position angeordnet und
so wird eine optische Faser mit besserer Genauigkeit
hergestellt.
Beispiele
-
Mit einer Vorrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, bei der eine
stabile Herstellung bei einer Geschwindigkeit bis zu
300 m/min. durchgeführt wurde, wurde eine optische Faser mit
unterschiedlichen Werten von Z von 0.4 bis 0.8 m gezogen und
der tatsächliche Außendurchmesser der hergestellten Faser
wurde nach dem Abstreifen der Beschichtung gemessen. Als
Außendurchmesser-Meßvorrichtung 3 an der Meßposition wurde
ein kommerziell verfügbarer Laser-Durchmessermonitor 551 A
der Anritsu Corporation verwendet. Weitere Bedingungen waren
wie folgt:
-
Außendurchmesser der Vorformlings 1 25 mm
-
Ziehrate 300 m/min
-
Zimmertemperatur (T&sub0;) 25ºC
-
Fasertemperatur unmittelbar nach
-
Verlassen des Ofens (TS) 1600ºC
-
Als Z 0.4 in war, betrug der von der Meßvorrichtung gemessene
Außendurchmesser 125.0 um und der tatsächliche
Außendurchmesser 123.7 um.
-
Als Z 0.8 m war, betrug der von der Meßvorrichtung gemessene
Außendurchmesser 125.0 um und der tatsächliche
Außendurchmesser 124.9 um. Die Fasertemperatur an der
Meßposition wurde auf ungefähr 900ºC gemäß Gleichung (I)
geschätzt. Es ist ersichtlich, daß die optische Faser bei
der Position von Z = 0.4 m, wie sie in herkömmlicher Weise
verwendet wird, einer Schrumpfung unterliegt.
-
In der Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird
in Betracht gezogen, eine optische Faser mit einem an der
Außendurchmesser-Meßposition gemessenen Durchmesser von
126.3 um herzustellen, um die optische Faser mit einem
Durchmesser von 125 um herzustellen. Aber eine solche
Herstellung ist nicht notwendigerweise wesentlich.
-
Die Ergebnisse für andere Z-Werte sind in der folgenden
Tabelle gezeigt:
Gemessener Außendurchmesser (um)
Ziehrate
Tatsächlicher Durchmesser
-
Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung besonders
wirksam ist, wenn die optische Faser mit einer Ziehrate
höher als 300 m/min. gezogen wird.
-
Serien von Experimenten wie oben beschrieben wurden
wiederholt und es wurde festgestellt, daß die optische Faser
auf eine Temperatur gekühlt werden sollte, bei der die
Schrumpfung der optischen Faser unter Spannung nicht größer
als 0.5% an der Position ist, wo die
Außendurchmesser-Meßvorrichtung 3 angeordnet ist, wenn das
Ziehen bei einer Rate höher als 300 m/min. ausgeführt wird.
-
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
in Fig. 2 gezeigt, bei der die Ziehrate mit Ergebnissen
einer Rechenoperation (z.B. durch eine PID-Steuerung) auf
die Abweichung des Ausgangssignals des von der
Meßvorrichtung 3 gemessenen Außendurchmessers vom
gewünschten Außendurchmesser gesteuert wird.
-
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
in Fig. 3 gezeigt. Bei der Ausführungsform wie in Fig. 1
gezeigt braucht es Zeit, um den Außendurchmesser der Faser,
die im Durchmesser im Falle einer kleinen Ziehrate
vergrößert ist, zu erfassen, wobei eine Zeitverzögerung in
der Steuerung auftritt. In der in Fig. 3 gezeigten
Ausführungsform wird die Erfassung des Außendurchmessers,
wenn die Ziehrate klein ist, mit der Meßvorrichtung 31
ausgeführt und, wenn die Ziehrate vergrößert ist, wird die
Erfassung mit der Meßvorrichtung 32 ausgeführt. Alternativ
wird nur eine Meßvorrichtung verwendet, die, abhängig der
Ziehrate, entlang der optischen Faser bewegt werden kann.
-
Ferner kann eine Zwangskühlungsvorrichtung für die optische
Faser zwischen dem Ofen 2 und der
Außendurchmesser-Meßvorrichtung 3 vorgesehen sein, wobei der
Abstand Z zwischen ihnen verkürzt werden kann. In dieser
Ausführungsform wird der Durchmesser der optischen Faser
ebenso bei einer Position gemessen, bei der die Schrumpfung
des Außendurchmessers nicht größer als 0.5% ist. Wenn die
Ziehrate 300 m/min. weit übersteigt, wird eine solche
Kühlvorrichtung besonders bevorzugt, da eine große Abmessung
der Vorrichtung vermieden werden kann und eine prompte
Reaktion erzielt werden kann.
-
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung
der Absolutwert des Außendurchmessers der optischen Faser,
die geschrumpft ist, korrekt gemessen, wobei die optische
Faser mit besserer Genauigkeit in ihrer Größe hergestellt
wird.