DE69015986T2

DE69015986T2 - Verfahren zur Herstellung einer optischen Hohlfaser.

Info

Publication number: DE69015986T2
Application number: DE69015986T
Authority: DE
Inventors: Pesant Jean-Pierre Le; Marc Turpin
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2010-11-24
Also published as: EP0430781A1; DE69015986D1; EP0430781B1; FR2655326A1; US5167684A; AU6764490A; AU629709B2; FR2655326B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen Lichtleitfaser.
Die Erfindung betrifft insbesondere Arten der Herstellung spezifischer Lichtleitfasern, die für spezielle Anwendungen auf dem Gebiet der Lichtleitfasersensoren bestimmt sind.
Diese Lichtleitfasern ermöglichen es, nach der gängigen Funktionsart von Einmodenlichtleitfasern optische Informationen zu übertragen, und besitzen eine innere Struktur, die ihre Empfindlichkeit gegenüber physikalischen Größen wie Druck, Spannung und dem elektrischen Feld fördert.
Die Lichtleitfaser weist allgemein und erfindungsgemäß eine anisotrope innere Struktur auf.
Nach einer speziellen Ausführungsform, die der Erfindung eigen ist, sind beiderseits des Führungskerns Ausnehmungen realisiert.
Die Lichtleitfaser mit Ausnehmungsstruktur ("FASE") wird nach einer ersten Ausführungsform als intrinsischer Drucksensor verwendet. Bei einem solchen Sensor muß die Faser über eine große Länge (mehrere hundert Meter) eine homogene Struktur aufweisen.
Die Erfindung beschreibt eine spezielle Ausführungsform sowie eine Kontrollmethode, die zum Erhalt großer Längen homogener Fasern erforderlich ist.
Nach einer zweiten Ausführungsform wird eine Methode zum Erhalt von Lichtleitfasern mit Leiterkanälen beschrieben.
In den beiden Ausnehmungen der "FASE"-Faser sitzen leitende Elemente wie Metalldrähte, die im Lauf der Operation des Ziehens von Fasern nach einer erfindungsgemäß geeigneten Variante in Bezug zur dem Fachmann bekannten Methode eingefügt werden.
Dieser Typ einer Lichtleitfaser kann für zahlreiche Anwendungen, insbesondere auf dem Gebiet der Sensoren mit Lichtleitfasern und/oder integrierter Optik verwendet werden. Eine solche Struktur kann, als nicht einschränkendes Beispiel, vorteilhaft verwendet werden, um den elektrischen Kerr-Effekt auszunutzen. Der Fachmann weiß, daß eine sehr lange Lichtleitfaser in einem kleinen Volumen untergebracht werden kann, wodurch in Verbindung mit der geringen Dämpfung des Lichtsignals ein schwacher Effekt oder ein schwacher Wandlerkoeffizient durch Summierung des Effekts über eine große Länge verstärkt werden kann.
Das Dokument JP-A-59 092 940 beschreibt ein Verfahren, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung aufweist.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen Lichtleitfaser, enthaltend die folgenden Schritte:
- einen Schritt der Herstellung eines Vorformteils mit einer Symmetrieachse, zwei Enden, einem optischen Kern sowie wenigstens einer Ausnehmung, deren Achse parallel zur Symmetrieachse des Vorformteils verläuft;
- einen Schritt des Ziehens bei einer Temperatur, die das Plastifizieren des gezogenen Abschnitts des Vorformteils ermöglicht, so daß eine hohle Lichtleitfaser erhalten wird;
- einen Schritt zum dichten Befestigen einer hohlen Kammer an einem Ende des Vorformteils, deren Hohlraum auch mit einer pneumatischen Regelvorrichtung in Verbindung steht;
- wobei der Schritt des Ziehens eine pneumatische Regelung des in dem Hohlraum und in der Ausnehmung enthaltenen Gases mit Hilfe einer pneumatischen Regelvorrichtung umfaßt; dadurch gekennzeichnet, daß es ferner einen Schritt des Befestigens eines Ansatzstücks aus einem Material mit der gleichen Schmelztemperatur wie das Vorformteil an dem anderen Ende des Vorformteils umfaßt, wobei dieses Ansatzstück an diesem Ende die zylindrische Ausnehmung verschließt, wobei die pneumatische Regelvorrichtung eine Druckregelvorrichtung ist und die pneumatische Regelung somit eine Druckregelung des in dem Hohlraum und in der Ausnehmung enthaltenen Gases mit Hilfe der Druckregelvorrichtung ist.
Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung, hauptsächlich unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die folgendes darstellen:
- Fig. 1a bis 2b Ausführungsbeispiele von Vorformteilen zur Herstellung einer Lichtleitfaser;
- Fig. 3 ein Beispiel einer Vorrichtung, die die Erfindung verwendet;
- Fig. 4 die Vorrichtung von Fig. 3 im Laufe des Faserziehens;
- Fig. 5 eine Variante einer Vorrichtung nach der Erfindung, die die Herstellung von Leiterdrähte enthaltenden Fasern ermöglicht.
In Abhängigkeit von den üblichen Parametern, die Lichtleitfasern eigen sind, also dem Durchmesser, der Länge, der Trennwellenlänge, dem Modendurchmesser ... wird ein Vorformteil (Stab mit großen Abmessungen, aus dem die Lichtleitfaser gezogen wird) nach einem der Verfahren hergestellt, die dem Fachmann bestens bekannt sind, z.B. MCVD (Epitaxie von Organometallen in der Gasphase), OVD (Äußere Dampfabscheidung), PVD (Plasmadampfphasenepitaxie), VAD (Dampfphasenaxialabscheidung).
Das hergestellte Vorformteil wird dann nach einer speziellen Geometrie unter Verwendung von herkömmlichen Bearbeitungsmethoden bearbeitet. Die Form sowie die Abmessungen der Bearbeitungen sind so kalkuliert, daß in der Lichtleitfaser Ausnehmungen erhalten werden, deren Relativposition zu dem Führungskern 10 an die Anwendung angepaßt sind.
Fig. 1a stellt den Querschnitt eines Vorformteils 1 vor der Bearbeitung dar.
Fig. 1b und 1c stellen den Querschnitt des Vorformteils nach der Bearbeitung dar. Zwei Bearbeitungstypen 13, 14 sind beispielhaft dargestellt.
Um eine guasihomothetische Struktur der gesuchten Faser zwischen der Faser und dem Vorformteil zu erhalten, muß die Struktur geschlossen werden, um im Inneren des Vorformteils zwei Ausnehmungen zu erhalten. Das bearbeitete Vorformteil 1 mit seitlichen Nuten 13, 14 ist mit einem Rohr 18 aus Siliciumdioxid gemufft, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Durchmesser des Vorformteils ist, wie dies in Fig. 2a dargestellt ist. Der Querschnitt des Rohrs wird dann an dem bearbeiteten inneren Teil nach der üblichen Technik der Querschnittsverminderung in der Flamme verengt, wie sie beispielsweise in der MCVD-Technik verwendet wird.
In diesem Herstellungsstadium verfügt man über ein neues faserbares Vorformteil, von dem in Fig. 2b eine schematische Darstellung gegeben ist.
Die Wahl der relativen Abmessungen des bearbeiteten Vorformteils und des Rohrs sowie der Bedingungen der Querschnittsverminderung (Heizleistung, Kontrolle des Innendrucks) ist wesentlich zum Erhalt einer vorläufigen kreisförmigen Gestaltung des neuen Vorformteils insbesondere auf Höhe der Ausnehmungen.
Das Faserziehen des Vorformteils wird auf einem herkömmlichen Faserziehturm durchgeführt, der die üblichen Kontrollgeräte und -einrichtungen aufweist.
Erfindungsgemäß sind spezielle Anordnungen zur Regelung des Drucks im Inneren des Vorformteils vorgesehen, um ein homogenes Faserziehen zu gewährleisten, nämlich eine Kontrolle der Größe und der Position der Ausnehmungen in der Lichtleitfaser in Abhängigkeit von der Länge der gezogenen Faser.
Ohne Regelung läßt sich die Größe der Ausnehmungen aufgrund der Druckschwankungen in den Ausnehmungen nicht über Längen von mehr als einigen zehn Metern kontrollieren (was in Anbetracht der möglichen, aus ein und demselben Vorformteil ziehbaren Fasern bei weitem nicht ausreicht), wenn das Vorformteil an seinen beiden Enden verschlossen ist.
Sind die Ausnehmungen umgekehrt offen (zum Atmosphärendruck), dann bricht die Struktur beim Durchlauf durch den Faserziehofen zusammen.
Um die Homogenität der bearbeiteten und gemufften Vorformteilstruktur zu erhalten, wird diese erfindungsgemäß durch ein System auf dem oberen Niveau gehalten, das die Kontrolle des Innendrucks im Verlauf des Faserziehens ermöglicht.
Fig. 3 stellt eine Anordnung dar, die die Durchführung der Erfindung ermöglicht. Sie weist eine Kammer 2 auf, die dicht am oberen Teil 11 des Vorformteils 1 befestigt ist. Der Hohlraum 20 der Kammer steht mit den Ausnehmungen 13 und 14 des Vorformteils sowie mit einem System 3 zur Gaszufuhr und Druckregelung in Verbindung.
Das Druckregelsystem wird durch einen Gasstrom erhalten (bevorzugt ein neutrales Gas, z.B. Argon, um jede Verschmutzung durch chemische Reaktion zu vermeiden), der in das Gehäuse eingebracht und über ein Manometer 30 geregelt wird.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist die Kammer 2 ausgehend von einem mit dem oberen Teil des Vorformteils verschweißten Rohr realisiert. Der obere Teil des Rohrs 2 ist geschlossen und dient als Halt auf Höhe des Abstiegsorgans des Vorformteils ebenso wie der Siliciumdioxidstab, der gewöhnlich für jede herkömmliche Faserziehoperation verwendet wird. Die Kammer 2 ist als mit dem Vorformteil verschweißt. An der Seitenwand des Kammerrohrs 2 ist das System 3 zum Einbringen von Gas und zur Kontrolle des Drucks und des Manometers 30 angeschlossen, das die Regelung des Betriebs des Systems 3 ermöglicht. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist ein Ansatzstück genanntes Teil 4 am Ende 12 des Vorformteils befestigt, um das Ziehen des Vorformteils zu Beginn der Ziehoperation zu ermöglichen. Dieses Ansatzstück weist den gleichen Außendurchmesser wie das Vorformteil auf, besteht aus ähnlichem Material und verstopft die Ausnehmungen 13 und 14 am Ende 12.
Als Verfahrensbeispiel reicht ein leichter Überdruck (äquivalent zu einem Wasserstand von einigen zehn Millimetern) aus, um die Struktur der Faser einerseits auf Höhe der Ausnehmungen sowie auf Höhe der kreisförmigen Gestaltung der Struktur zu kontrollieren. Dieses Phänomen der kreisförmigen Gestaltung ist bekannt und wird zur Herstellung bestimmter Typen von spezifischen Fasern mit Polarisationsaufrechterhaltung verwendet (es berücksichtigt Parameter wie die Temepratur, die Spannung und die Faserziehgeschwindigkeit).
Dieser Fasertyp mit ausgenommener Struktur weist eine intrinsische Doppelbrechung auf, die mit der asymmetrischen Struktur verknüpft ist. Der Wert der Doppelbrechung ist mit den Belastungen und Verformungen des Führungskerns verknüpft. Damit ist die Kontrolle der Homogenität der Struktur wesentlich für die Kontrolle der Doppelbrechung der Faser. Dieser Parameter ist sehr wichtig, ja sogar wesentlich für Anwendungen, die Sensoren mit Lichtleitfasern eigen sind. Es sei daran erinnert, daß dieser Typ einer Lichtleitfaser besonders gut für Messungen statischer oder dynamischer Drücke geeignet ist.
Die Abmessung der Ausnehmungen ist in Abhängigkeit von dem angelegten Druck eingestellt. Durch die Regelung des Drucks im Lauf des Faserziehens wird es möglich, Faserlängen von mehreren hundert Metern zu erhalten (Länge begrenzt durch die Länge des Vorformteils), die eine vollkommene Gleichmäßigkeit des Durchmessers der Ausnehmungen aufweisen.
Die Ausführungsform ist als nicht einschränkendes Beispiel angegeben. Der gesamte Druckkontrollteil liegt nämlich über dem Faserziehofen in einer Zone mit Umgebungstemperatur. Auf dieser Höhe ist die Verwendung von metallischen Materialien oder anderen zur Realisierung des Systems nicht auszuschließen.
Die Erfindung betrifft ausgehend von dem oben beschriebenen Vorformteil mit ausgenommener Struktur auch ein Herstellungsverfahren zum Erhalt einer Einmodenlichtleitfaser, die beiderseits des Führungskerns zwei leitende Elemente aufweist.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß diese elektrischen Leiter im Inneren der Lichtleitfaser liegen.
Die Herstellungmethode besteht darin, das oben beschriebene Druckkontrollorgan zu verwenden, das so modifiziert ist, daß es in der Druckregelkammer eine Untereinheit aufnehmen kann, die das Abwickeln von zwei Metalldrähten durch Mitnehmen ermöglicht, die vorher in die Ausnehmungen des Vorformteils eingeführt wurden.
In Anbetracht der hohen Faserziehtemperatur, die für Lichtleitfasern auf der Basis von Siliciumdioxid erforderlich ist, werden Metalle gewählt, deren Schmelzpunkt weit über der Faserziehtemperatur liegt.
Um die Gedanken festzuhalten, sei daran erinnert, daß die Faserziehtemperatur zwischen 1500 und 1800 ºC liegt (je nach den Bestandteilen der Faser ...), wobei Drähte aus Wolfram, Tantal, Molybdän ... verwendet werden können.
Allgemein läßt sich jedes leitende Material verwenden, das einer Temperatur in der Größenordnung von 2000ºC widersteht und in kleinen Durchmessern in der Größenordnung von 5 bis 25 Mikrometern spinnfähig ist.
Das Schema von Fig. 5 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung.
Es sind keine Einzelheiten zu dem Abwickeluntersystem beschrieben, da diese nichts am Hauptcharakter der Erfindung ändern.
Auf der Grundlage der üblichen Abmessungen für Lichtleitfasern auf der Basis von Siliciumdioxid, beispielsweise einem Außendurchmesser von 125 Mikrometern, lassen sich Ausnehmungen herstellen, deren Durchmesser in der Größenordnung von zwanzig bis vierzig Mikrometern liegt, wobei die leitenden Drähte im Inneren der Ausnehmungen "frei" sein können.
Die Vorrichtung von Fig. 5, weist in der Kammer 2 zwei Drahtspulen 5 und 6 auf.
Wie oben beschrieben, ist das Vorformteil 1 mit seinem Ende 11 dicht an der Kammer 2 befestigt. Der Hohlraum 20 der Kammer und die Ausnehmungen 13, 14 werden durch die Vorrichtung 3 im Druck reguliert.
Die Drähte 50 und 60 der Spulen werden in die Ausnehmungen 13 und 14 des Vorformteils 1 eingefädelt, und ihr freies Ende ist an dem Ende 12 des Vorformteils befestigt. Nach Fig. 5 sind die Enden der Drähte an dem Ansatzstück 4 befestigt, das dazu dient, die Ausnehmungen 13 und 14 zu verschließen und das Vorformteil zu Beginn des Faserziehvorgangs mitzunehmen.
Durch das Fallen des Ansatzstabes durch Schwerkraft werden die Metallfäden 50, 60 mit der Lichtleitfaser mitgenommen. Im Laufe des Faserziehens werden die üblichen Regelungssysteme sowie das Druckkontrollsystem in Betrieb genommen. Die Spulen mit den Metallfäden sind an Drehachsen angebracht, um ein spannungsfreies Abwickeln zu ermöglichen und das Reißen der Drähte im Laufe des Verfahrens zu vermeiden. Motoren "ohne Moment" können für eine bessere Kontrolle des Abwickelns zusätzlich angeordnet sein.
Die Querschnitte des Vorformteils und der erhaltenen Faser weisen üblicherweise eine kreisförmige Gestalt auf. Die Ausnehmungen sind ebenfalls kreisförmig. Allerdings können sowohl das Vorformteil als auch die erhaltene Faser sowie die Ausnehmungen jede andere Form, insbesondere eine elliptische Form aufweisen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer hohlen Lichtleitfaser, enthaltend die folgenden Schritte:

- einen Schritt zur Herstellung eines Vorformteils (1) mit einer Symmetrieachse, zwei Enden (11, 12), einem optischen Kern (10), sowie wenigstens einer Ausnehmung (13, 14), deren Achse parallel zur Symmetrieachse des Vorformteils verläuft;

- einen Schritt des Ziehens bei einer Temperatur, die das Plastifizieren des gezogenen Abschnittes des Vorformteils ermöglicht, so daß eine hohle Lichtleitfaser erhalten wird;

- einen Schritt zum dichten Befestigen einer hohlen Kammer (2) an einem Ende (11) des Vorformteils (1), deren Hohlraum (20) mit der Ausnehmung des Vorformteils in Verbindung steht, wobei der Hohlraum (20) außerdem mit einer pneumatischen Regelvorrichtung in Verbindung steht;

- wobei der Schritt des Ziehens eine pneumatische Regelung des in dem Hohlraum (20) und in der Ausnehmung enthaltenen Gases mit Hilfe einer pneumatischen Regelvorrichtung (3) umfaßt;

- dadurch gekennzeichnet, daß es ferner einen Schritt des Befestigens eines Ansatzstücks (4) aus einem Material mit der gleichen Schmelztemperatur wie das Vorformteil an dem anderen Ende (12) des Vorformteils umfaßt, wobei dieses Ansatzstück an diesem Ende die zylindrische Ausnehmung (13, 14) verschließt, wobei die pneumatische Regelvorrichtung (3) eine Druckregelvorrichtung ist und die pneumatische Regelung soinit eine Druckregelung des in den Hohlraum (20) und in der Ausnehmung (13, 14) enthaltenen Gases mittels der Druckregelvorrichtung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (20) der Kammer (2) wenigstens eine Spule (5, 6) aus Draht (50, 60) für jede Ausnehmung (13, 14) des Vorformteiles enthält, wobei der Draht einer Spule längs der Achse einer Ausnehmung (13, 14) angeordnet ist und mit einem Ende am Ansatzstück (4) befestigt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) mit dem Vorformteil verschweißt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorformteil zwei Ausnehmungen aufweist, die beiderseits des optischen Kerns des Vorformteils liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (50, 60) aus einem metallischen Material mit einer Schmelztemperatur besteht, die größer als die Schmelztemperatur des Vorformteils ist.