Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine beschichtete
Lichtleitfaser und ein Verfahren zur Herstellung solcher
Fasern.
Hintergrund der Erfindung
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Bei der Herstellung von Lichtleitfasern wird ein Vorformstab
aus Glas, der im allgemeinen separat hergestellt wird,
senkrecht aufgehängt und mit einer geregelten
Geschwindigkeit in einen Schmelzofen bewegt, in dem er
erweicht. Von dem geschmolzenen Ende des Vorformstabes wird
nun mittels einer sich am Fuß eines Ziehturms befindendende
Antriebs- oder Capstanrolle eine Lichtleitfaser frei
abgezogen.
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Da die Oberfläche der Lichtleitfaser durch Abrieb leicht
beschädigbar ist, ist es erforderlich, die Lichtleitfaser
nach dem Ziehen zu beschichten, bevor sie eine Oberfläche
berührt. Da die Glasoberfläche durch das Aufbringen des
Beschichtungsmaterials nicht beschädigt werden darf, wird
das Beschichtungsmaterial flüssig aufgebracht. Nach dem
Aufbringen des Beschichtungsmaterials muß dieses sehr rasch
verfestigt werden, bevor die Lichtleitfaser die Capstanrolle
erreicht. Dies kann beispielsweise durch Aushärten unter
Lichteinfluß erreicht werden.
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Von den Gebrauchseigenschaften einer Lichtleitfaser werden
die Festigkeit und die Übertragungsdämpfung am meisten durch
das Beschichtungsmaterial beeinflußt. Beschichtungsdefekte,
durch die eine Lichtleitfaser einer nachfolgenden
Beschädigung ungeschützt ausgesetzt ist, entstehen
hauptsächlich durch ein nicht ordnungsgemäßes Aufbringen des
Beschichtungsmaterials. Defekte, wie z.B. große Blasen oder
Hohlräume, nichtkonzentrische Beschichtungen mit
unakzeptabel dünnen Bereichen oder diskontinuierliche
Beschichtungen müssen verhindert werden. Das Problem, daß in
dem Beschichtungsmaterial Blasen auftreten, wurde gelöst
(siehe z.B. das amerikanische Patent 4,851,165).
Diskontinuierliche Beschichtungen werden dadurch vermieden,
daß die Lichtleitfaser an ihrem Eintrittspunkt in die
Beschichtungseinrichtungen ausreichend abgekühlt ist, um
Instabilitäten in der Fließfähigkeit des
Beschichtungsmaterials zu vermeiden. Die Konzentrizität der
Beschichtung kann überwacht und auf einen akzeptablen Wert
eingestellt werden.
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Lichtleitfasern sind anfällig gegenüber
Übertragungsdämpfungen, die auf einem Effekt beruhen, der
als Krümmung bekannt ist. Da Lichtleitfasern dünn und
biegsam sind, biegen sie sich bei auftretenden mechanischen
Spannungen leicht durch, wie sie z.B. auftreten können, wenn
Lichtleitfasern in einem Kabel angeordnet werden, oder wenn
verkabelte Lichtleitfasern sich verändernden
Temperatureinflüssen ausgesetzt sind oder auch bei der
mechanischen Handhabung. Wenn die auf eine Lichtleitfaser
ausgeübten mechanischen Spannungen zu einer zufälligen
Krümmungdeformation der Faserachse mit periodischen
Komponenten im Millimeterbereich führen, können sich in der
Lichtleitfaser ausbreitende Lichtstrahlen oder Moden aus dem
Kern austreten. Diese Dämpfungen, die
Mikrokrümmungsdämpfungen genannt werden, können sehr hoch
sein, und häufig ein Vielfaches der intrinsischen Dämpfung
der Faser selbst betragen. Die Lichtleitfaser muß von
Spannungen abgeschirmt werden, die ein Mikrokrümmung
verursachen. Die Eigenschaften des
Lichtleitfaserbeschichtungsmaterials spielen eine wichtige
Rolle bei der Schaffung einer solchen Isolierung, wobei die
äußere Gestalt oder Form der Beschichtung, der Modul und der
thermische Ausdehnungskoeffizient die wichtigsten Faktoren
darstellen.
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Auf die gezogene Lichtleitfaser werden typischerweise zwei
Schichten aus Beschichtungsmaterial aufgebracht. Zudem
werden üblicherweise zwei unterschiedliche Arten von
Beschichtungsmaterialien verwendet. Benachbart zu der
Lichtleitfaser wird ein als primäres Beschichtungsmaterial
bezeichnetes Material als innere Schicht aufgebracht. Zur
Abdeckung des primären Beschichtungsmaterials wird eine
äußere Schicht aus einem sekundären Beschichtungsmaterial
aufgebracht. Das sekundäre Beschichtungsmaterial weist
üblicherweise einen hohen Modul, z.B. 10&sup9; Pa, auf, während
das primäre Beschichtungsmaterial einen relativ niedrigen
Modul, wie z.B. 10&sup6; Pa, aufweist. Bei einem Verfahren werden
das primäre und das sekundäre Beschichtungsmaterial
gleichzeitig aufgebracht. Ein solches Verfahren offenbart
das amerikanische Patent Nr. 4,474,830. Anschließend läßt
man die äußere und die innere Schicht der
Beschichtungsmaterialien aushärten, wobei das Aushärten
außen beginnt und nach innen fortschreitet. Die primären und
sekundären Beschichtungsmaterialien umfassen typischerweise
Materialien, die bei DV-Licht aushärten und jeweils durch
einen photoaktiven Bereich gekennzeichnet sind. Als
photoaktiver Bereich wird der Bereich des Lichtspektrums
bezeichnet, in dem das Beschichtungsmaterial durch
Absorption des Aushärtungslichtes von einem flüssigen
Zustand in einen festen Zustand übergeht. Die als primäres
und sekundäres Material verwendeten Materialien weisen
vergleichbare photoaktive Bereiche auf. Da die photoaktiven
Bereiche vergleichbar sind, wird das Aushärtungslicht für
das primäre Beschichtungsmaterial durch das sekundäre
Beschichtungsmaterial abgeschwächt. Infolge dieser
Abschwächung erreicht weniger Licht das primäre
Beschichtungsmaterial.
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Trotz dieser Abschwächung des Aushärtungslichtes durch das
sekundäre Beschichtungsmaterial ist es selbstverständlich
wichtig, daß auch das primäre Beschichtungsmaterial
vollständig aushärtet Dieses Problem wird im Stand der
Technik durch Verringerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit
gelöst, so daß das primäre Beschichtungsmaterial länger dem
ultravioletten Aushärtungslicht ausgesetzt ist, da die
Energie des ultravioletten Aushärtungslichtes umgekehrt
proportional zu der Verarbeitungsgeschwindigkeit ist.
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Obgleich die genannte Lösung praktikabel ist, weist sie
einige Nachteile auf. Der wichtigste Nachteil besteht darin,
daß eine Verringerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht
wünschenswert ist, da sie gegenwärtigen Bemühungen zuwider
läuft, die Auszugslänge zu erhöhen und die
Ziehgeschwindigkeit der Lichtleitfaser merklich zu steigern.
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Es besteht daher ein Bedarf an einer aus dem Stand der
Technik offensichtlich nicht verfügbaren beschichteten
Lichtleitfaserf mit der das obengenannte Problem einer
Abschwächung der zur Aushärtung des primären
Beschichtungsmaterials verwendeten Lichtenergie durch das
sekundäre Beschichtungsmaterial gelöst wird. Eine Lösung
dieses Problems sollte die Verarbeitungsgeschwindigkeit
nicht nachteilig beeinflussen. Verfahren zur Herstellung
einer solchen gesuchten beschichteten Lichtleitfaser müssen
zudem in vorhandene Herstellungsverfahren zum Ziehen von
Lichtleitfasern aus einer Vorform integrierbar sein.
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Die Chemical Abstracts, Band 111, Nr. 8, Seite 308, vom 21.
August 1989, Abstract Nr. 62 756x, Columbus, Ohio, U.S.A.,
offenbaren das Aushärten von zwei unabhängig voneinander auf
eine Lichtleitfaser aufgebrachten Beschichtungen, wobei die
Beschichtungen in unterschiedlichen Bereichen des Spektrums
ausgehärtet werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Faser gemäß Anspruch 1 und ein
Verfahren gemäß Anspruch 2 geschaffen.
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Die vorstehend genannten Probleme des Standes der Technik
werden durch die erfindungsgemäße beschichtete
Lichtleitfaser und das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung solcher Fasern gelöst. Eine erfindungsgemäß
beschichtete Lichtleitfaser umfaßt eine Lichtleitfaser aus
optischem Glas und ein inneres Beschichtungsmaterial, das
die Lichtleitfaser berührt und sie umgibt. Das innere
Beschichtungsmaterial ist von einem äußeren
Beschichtungsmaterial umgeben, das das innere
Beschichtungsmaterial berührt. Das innere und das äußere
Beschichtungsmaterial werden gleichzeitig aufgebracht. Sie
sind dadurch gekennzeichnet, daß sie in unterschiedlichen
Bereichen des Lichtsprektrums aushärten. Bei dem inneren
Beschichtungsmaterial kann es sich beispielsweise um ein
Material handeln, das durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht
aushärtbar ist, während das äußere Beschichtungsmaterial
dadurch gekennzeichnet sein kann, daß es durch Bestrahlung
mit UV-Licht aushärtbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Lichtleitfaser
aus einer Vorform gezogen. Auf die gezogene Lichtleitfaser
wird anschließend gleichzeitig das primäre und das sekundäre
Beschichtungsmaterial aufgebracht, wobei das primäre und das
sekundäre Beschichtungsmaterial so gewählt werden, daß sie
bei einer Bestrahlung in unterschiedlichen Bereichen des
Lichtsprektrums aushärten Bei einer bevorzugten
Ausführungsform handelt es sich bei dem benachbart zu der
Lichtleitfaser aufgebrachten primären Beschichtungsmaterial
um ein Material, dessen photoaktiver Bereich im sichtbaren
Bereich des Spektrums liegt. Bei dem sekundären
Beschichtungsmaterial handelt es sich andererseits um ein
Material, dessen photoaktiver Bereich im ultravioletten
Bereich des Spektrums liegt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform werden die Beschichtungsmaterialien dadurch
ausgehärtet, daß die gezogene beschichtete Lichtleitfaser
zuerst mit einer Aushärtungslampe bestrahlt wird, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß ihr Emissionsspektrum
ausschließlich im sichtbaren Bereich liegt. Anschließend
wird das sekundäre Beschichtungsmaterial durch Bestrahlen
der gezogenen beschichteten Lichtleitfaser mit einer
Aushärtungslampe ausgehärtet, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß ihr Emissionsspektrum ausschließlich im
ultravioletten Bereich des Spektrums liegt. Die gezogene und
beschichtete Lichtleitfaser wird aufgewickelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer
Fertigungsanlage zum Ziehen von Lichtleitfasern aus
einer Vorform;
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine gezogene
beschichtete Lichtleitfaser;
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Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem für den sichtbaren
Spektralbereich die Absorption als Funktion der
Wellenlänge dargestellt ist;
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Fig. 4 zeigt ein Histogramm, in dem die emittierte Strahlung
einer kommerziell erhältlichen Aushärtungsglühlampe
dargestellt ist, deren emittierte Strahlung nahezu
vollständig im sichtbaren Bereich des Spektrums
liegt; und
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Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem für ein
Beschichtungsmaterial, das durch Bestrahlen mit
sichtbarem Licht ausgehärtet wurde, der Modul als
Funktion der Dosis dargestellt ist.
Ausführliche Beschreibung
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Fig. 1 zeigt eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 20
versehene Vorrichtung, mit der eine Lichtleitfaser 21
zunächst aus einer speziell vorbereiteten zylindrischen
Vorforrn 22 gezogen und anschließend beschichtet wird. Die
Lichtleitfaser 21 wird gebildet, indem die Vorform 22, die
typischerweise einen Durchmesser zwischen 7 und 25 mm und
eine Länge von 60 cm aufweist, örtlich symmetrisch auf eine
Temperatur von etwa 2000ºC erhitzt wird. Während die Vorform
in einen Schmelzofen 23 einführt und durch diesen
hindurchgeleitet wird, wird die Lichtleitfaser 21 von dem
geschmolzenen Material abgezogen.
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Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, umfaßt das Ziehsystem als
Bestandteil den Ofen 23, in dem die Vorforrn nach dem Ziehen
der Lichtleitfaser 21 aus einer Heizzone auf die
Faserabmessungen gezogen wird. Unmittelbar nach dem Bilden
der Faser wird der Durchmesser der Faser 21 mittels einer
Vorrichtung 24 gemessen und der gemessene Wert wird in ein
Steuersystem eingegeben. In dem Steuersystem wird der
gemessene Wert mit dem gewünschten Wert verglichen und es
wird ein Ausgangssignal erzeugt, mit dem die
Ziehgeschwindigkeit so eingestellt wird, daß der
Faserdurchmesser den gewünschten Wert annimmt.
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Nach dem Messen des Durchmessers der Lichtleitfaser 21 wird
auf die Faser mittels einer Vorrichtung 27 ein
Schutzschichtsystem 25 aufgebracht (siehe auch Fig. 2). Das
Aufbringen der Schutzbeschichtung, durch die die frisch
gezogene Faser von schädlichen Einflüssen der Atmosphäre
abgeschirmt wird, ist erforderlich, damit die Faser ihre
Festigkeit beibehält. Das Beschichtungssystem muß so
aufgebracht werden, daß die Oberfläche der Faser 21 nicht
beschädigt wird, daß die Faser einen vorbestimmten
Durchmesser aufweist, und daß sie bei den anschließenden
Verarbeitungsschritten, bei der Installation und bei der
Wartung vor einem Abrieb geschützt ist. Um die Abschwächung
der Strahlung zu minimieren, ist es erforderlich, ein
geeignetes Beschichtungsmaterial auszuwählen und geregelt
auf die Faser aufzubringen. Bei der genannten
Beschichtungsvorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung
handeln, wie sie in dem zuvor erwähnten amerikanischen
Patent Nr. 4,474,830 offenbart wird. Um Abweichungen des
Durchmessers so gering wie möglich zu halten und dadurch
umgekehrt wiederum die Dämpfungen infolge einer
Fehlausrichtung an Steckverbinder- und Spleißpunkten zu
minirnieren, ist es erforderlich, daß Ziehsystern sorgfältig
zu gestalten und den Faserdurchrnesser während des Ziehens
und des Beschichtens kontinuierlich zu überwachen und zu
regeln. Die beschichtete Faser 21 wird nun durch eine
Zentriereinrichtung (centering gauge) 28 geleitet.
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Nach dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die
gezogene Faser muß das Beschichtungsmaterial aushärten. Die
Lichtleitfaser mit den darauf aufgebrachten
Beschichtungsmaterialien wird demgemäß durch eine
Vorrichtung 30 zum Aushärten des Beschichtungssystems und
eine Vorrichtung 32 zur Messung des äußeren Durchmessers der
beschichteten Faser geleitet. Anschließend wird sie über
eine Antriebs- oder Capstanrolle 34 geführt und aufgespult,
um vor einem nachfolgenden Kabeleinsatz getestet und
gelagert zu werden.
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Das Beschichtungssystem 25 in der Vorrichtung 27 umfaßt zwei
Beschichtungsmaterialien, die auf die Lichtleitfaser
aufgebracht werden. Das Beschichtungssystem 25 umfaßt eine
innere Schicht 42 (siehe Fig. 2), die häufig auch als
Primärbeschichtung bezeichnet wird, und eine äußere Schicht
44, die häufig auch als Sekundärbeschichtung bezeichnet
wird. Das Beschichtungsmaterial der inneren Schicht, das
einen wesentlich geringeren Modul als das Material der
äußeren Schicht aufweist, wird so gewählt, daß
Mikrokrümmungen in der Lichtleitfaser verhindert werden.
Andererseits bildet die äußere Schicht mit dem höheren Modul
einen mechanischen Schutz für die gezogene Glasfaser.
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Die Beschichtungsmaterialien sind jeweils durch Bestrahlung
in einem gewissen Bereich des Lichtspektrums aushärtbar. Die
Beschichtungsmaterialien umfassen im allgemeinen jeweils ein
Oligomer, ein Verdünnungsmittel und einen Photoinitiator.
Sie können auch Zusatzstoffe enthalten, wie z.B.
Antioxidantien, Haftvermittler oder Haftverstärker, UV-
Stabilisatoren, oberflächenaktive Substanzen und
Stabilisierungsmittel zur Erhöhung der Lebensdauer.
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Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß das
Beschichtungsmaterial der inneren Schicht 42 so gewählt
wird, daß es in einem anderen Bereich des Lichtspektrums
aushärtet als das Material der äußeren Schicht 44. Die durch
die äußere Schicht 44 hindurchtretende und auf die innere
Schicht 42 zur Aushärtung des Beschichtungsmaterials
auftreffende Lichtenergie wird somit nicht durch Absorption
in der äußeren Schicht abgeschwächt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine der Schichten
des Beschichtungssysterns durch Bestrahlung mit sichtbarem
Licht aushärtbar, während die andere durch Bestrahlung mit
UV-Licht aushärtbar ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist insbesondere das Beschichtungsmaterial der inneren
Schicht durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht aushärthar
während das Beschichtungsmaterial der äußeren Schicht 44
durch Bestrahlung mit UV-Licht aushärtbar ist. Das
Beschichtungsmaterial der inneren Schicht 42 kann so
zusammengesetzt sein, daß es einen Photoinitiator enthält,
der Campher-Chinon umfaßt. Bei dem Photoinitiator der
äußeren Schicht kann es sich um 2,2-Dimethoxy, 2-
Phenylazetophenon, wie z.B. das von Ciba Geigy vertriebene
Irgacure 651 handeln. Bei dem unter UV-Licht aushärtenden
Photoinitiator der äußeren Schicht kann es sich um 1-Phenyl,
2-Hydroxy, 2-Methylpropanon, wie z.B. das von der EM
Industries Company vertriebene Darocure 1173 handeln.
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Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Absorption einer
Beschichtungsmischung als Funktion der Wellenlänge
dargestellt ist. Es sind die Wellenlängen dargestellt, die
im allgemeinen als sichtbarer Bereich des Spektrums
angesehen werden. Fig. 3 zeigt, daß die
Beschichtungsmischung der inneren Schicht 42 im sichtbaren
Bereich des Spektrums absorbiert. Wenn das
Beschichtungsmaterial in einem bestimmen Wellenlängenbereich
absorbiert, ist zu überprüfen, ob auch in dem Bereich der
Absorption ausgestrahlt wird. Fig. 4 zeigt für eine
kommerziell erhältliche Glühlampe ein Histogramrn, in dem die
Ausgangsleistung in Watt/Zoll als Funktion der Wellenlänge,
gemessen in nm, dargestellt ist.
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Bei Verwendung einer Glühlampe mit einem Strahlungspektrum
gemäß Fig. 4 zur Bestrahlung einer Beschichtung mit einer
Absorption gemäß Fig. 3 ergibt sich ein Modul mit dem in
Fig. 5 dargestellten Kurvenverlauf. Bei Verwendung einer
passenden Lampe zur Bestrahlung einer
Materialzusammensetzung, die bei den Wellenlängen gemäß Fig.
4 absorbiert, härtet die innere Schicht so aus, daß ihr
Modul in Abhängigkeit von der verwendeten Dosis dem in Fig.
5 dargestellten Wert aufweist.
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Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Gegenstandes und der erfindungsgemäße Gegenstand ermöglichen
vorteilhafterweise höhere Aushärtungsgeschwindigkeiten als
bei den bisher verwendeten Verfahren. Da die
Aushärtungsenergie, die zum Aushärten der inneren Schicht 42
verwendet wird, nicht durch die äußere Schicht 44
abgeschwächt wird, ist auch nicht soviel Zeit für eine
Bestrahlung erforderlich, um diese Abschwächung zu
überwinden.
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Es sei bemerkt, daß die oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele lediglich zur Veranschaulichung der
Erfindung dienen. Von Fachleuten können auch andere
erfindungsgemäße Anordnungen erdacht werden, die von dem
Erfindungsgedanken Gebrauch machen und in den Schutzbereich
der Erfindung fallen.