DE69512866T2

DE69512866T2 - Verfahren zum Herstellen ein Mehrkern optische Faser, Multikern Vorform und Multikern optischer Faser nach diesem Verfahren hergestellt

Info

Publication number: DE69512866T2
Application number: DE69512866T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Boniort; Claude Brehm; Jose Chesnoy; Pierre Sansonetti; Andre Tardy
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2015-11-23
Also published as: EP0713844A1; DK0713844T3; US5944867A; DE69512866D1; FR2727398B1; FR2727398A1; EP0713844B1; US5792233A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Mehrkern-Faser.
Unter einer optischen Mehrkern-Faser versteht man eine optische Faser, die eine Mehrzahl von zueinander parallelen und in eine gemeinsame optische Hülle eingebetteten Kernen umfaßt, wobei der überwiegende Teil der von der Mehrkern- Faser übertragenen Lichtstrahlen in ihren Kernen geführt ist. In herkömmlicher Weise hat jeder Kern der Mehrkern- Faser einen Durchmesser von einigen um (im allgemeinen 7-10 um) und ist z. B. auf einen Kreis mit einem Radius von ca. 40 um innerhalb der optischen Hülle angeordnet, welche einen Standard-Außendurchmesser von 125 um hat.
Um die gewünschten Führungseigenschaften zu gewährleisten, bestehen die optischen Kerne im allgemeinen aus einem Material auf Grundlage von Siliziumdioxid, das dotiert ist, um seinen Brechungsindex in Bezug auf den des reinen Siliziumdioxids zu erhöhen, wohingegen die optische Hülle aus einem Material auf Grundlage von Siliziumdioxid besteht, das im wesentlichen rein oder leicht dotiert ist, um seinen Brechungsindex im Vergleich zu dem des Kernes zu verringern.
Eine der wesentlichen Anforderungen bei der Herstellung von optischen Mehrkern-Fasern ist die präzise Positionierung der Kerne in Bezug zueinander. Es ist nämlich diese präzise Positionierung, die es erlaubt, sichere Verbindungen zu bilden und parasitäre Kopplungen zwischen von den verschiedenen Kernen übertragenen Signalen (Übersprechen, Diaphotie) zu vermeiden. So ist es insbesondere notwendig, einen minimalen Abstand zwischen den verschiedenen Kernen einzu halten. Es wird angenommen, daß ein Abstand von ca. 40 um die untere Grenze ist, unterhalb derer das Übersprechen nicht mehr tolerierbar ist.
Eines der gegenwärtig für die Herstellung einer optischen Mehrkern-Faser in Betracht gezogenen Verfahren, beschrieben in dem Dokument EP-A-0 101 742, besteht darin, von einer Mehrzahl von Vorformen von optischen Fasern mit einem einzigen Kern, als Einkern-Vorformen bezeichnet, auszugehen, die einen von einer Hüllschicht umgebenen Kernstab umfassen, und diese Stäbe in ein Glasrohr einzuführen, um eine Mehrkern-Vorform zu bilden.
Diese Mehrkern-Vorform wird dann in einer Ziehanlage installiert und ein Ziehvorgang wird wie bei einer Einkern- Vorform bei einer Temperatur in der Größenordnung von 2000ºC durchgeführt, wobei die in den Zwischenräumen im Inneren des Rohres zwischen letzterem und den Einkern-Vorformen vorhandene Luft oben aus der Mehrkern-Vorform abgepumpt wird. Man erhält so die gewünschte Mehrkern-Faser.
Dieses Verfahren ist unbefriedigend, weil die Positionierung der Einkern-Vorformen innerhalb des Rohres wenig präzise ist, so daß in der erhaltenen Mehrkern-Faser die Kerne nicht präzise in Bezug zueinander positioniert sind. So ist bei einer Mehrkern-Faser mit sieben Kernen (ein Kern in der Mitte und sechs periphere Kerne) der Positionierungsfehler der Kerne in der Größenordnung von ±2kΔR, wobei ΔSR die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Durchmesser und dem Nenndurchmesser der Einkern-Vorformen ist und k das Homothetieverhältnis des Ziehvorganges ist. In einem herkömmlichen Fall, wo ΔR = 0,3 mm und k = 5 · 10&supmin;³ ist, liegt der Positionierungsfehler der Kerne in der Größenordnung von ± 3 um.
Ein anderes mit diesem Verfahren verknüpftes Problem ergibt sich aus der Verwendung des die Anordnung der Einkern- Vorformen umgebenden Rohres. Dieses Rohr erhöht den Außendurchmesser der Vielkern-Vorform; die durch Ziehen der Mehrkern-Vorform erhaltene Mehrkern-Faser soll aber einen Standard-Außendurchmesser von 125 um haben. So ist aufgrund des Rohres der Abstand zwischen den Kernen in der Mehrkern- Faser kleiner als der minimal erforderliche Abstand, was die Übersprechprobleme verschärft.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diese Probleme zu beheben, indem ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Mehrkern-Faser entwickelt wird, das es erlaubt, eine präzise Positionierung der Kerne in Bezug zueinander sowie den minimal erforderlichen Abstand zwischen letzteren zu erzielen.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Mehrkern-Faser vor, das folgende Schritte umfaßt:
- Zusammenfügen einer Mehrzahl von Vorformen von im wesentlichen identischen optischen Einkern-Fasern, als Einkern-Vorformen bezeichnet, die jeweils einen Kernstab umgeben von einer optischen Hüllschicht umfassen, um eine sogenannte Mehrkern-Vorform zu bilden,
- Ziehen der Mehrkern-Vorform, um die optische Mehrkern-Faser zu erhalten,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Zusammenfügen darin besteht, die Einkern-Vorformen fest miteinander zu verbinden, indem sie miteinander auf der Gesamtheit oder einem Teil ihrer Länge an ihren Berührungslinien verschweißt werden, ohne die Mehrkern-Vorform in ein Halterohr einzuführen.
Indem eine solche feste Verbindung geschaffen wird, ist es möglich, die Positionierung der Einkern-Vorformen in Bezug zueinander zu steuern und insbesondere die Position der Achsen einer jeden Vorform in Bezug auf die Symmetrieachse der Mehrkern-Vorform zu steuern, so daß die Präzision der Positionierung der Kerne der Mehrkern-Vorform deutlich besser als nach dem Stand der Technik ist. Der Positionierungsfehler ist beim erfindungsgemäßen Verfahren in der Größenordnung von ±kΔR, also bei dem für den Stand der Technik angegebenen Zahlenbeispiel ±1,5 um. Man erhält also durch die Erfindung eine Verringerung des Positionierungsfehlers der Kerne in der Mehrkern-Faser um die Hälfte.
Außerdem macht die Verbindung der Einkern-Vorformen untereinander die Verwendung eines Halterohres überflüssig und erlaubt somit, nach dem Ziehen den erforderlichen Minimalabstand zwischen den Kernen einzuhalten, wodurch die Übersprechprobleme vermieden werden.
Vorteilhafterweise kann, bevor die Einkern-Vorformen miteinander verbunden werden, ein Schritt des Polierens der letzteren durchgeführt werden, der es erlaubt, eine Justierung der Zentrierung ihrer Kerne durchzuführen. Dies erlaubt es, die Präzision der Positionierung weiter zu steigern.
Einer Verbesserung zufolge wird vor dem Ziehen in der Mehrkern-Vorform ein Vakuum hergestellt, und die Mehrkern-Vorform, in der das Vakuum hergestellt worden ist, wird versiegelt, um dieses Vakuum während des Ziehens aufrechtzuerhalten.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Mehrkern-Vorform eine Mehrzahl von Stangen aus einem glasartigen Material umfassen, als äußere Stangen bezeichnet, wobei jede dieser äußeren Stangen zwischen zwei benachbarten Einkern-Vorformen verschweißt ist, die an der Peripherie der Mehrkern- Vorform angeordnet sind, um Brücken zwischen den peripheren Einkern-Vorformen zu bilden.
Der Durchmesser der äußeren Stangen kann derart sein, daß der Durchmesser des Umkreises um die Mehrkern-Vorform nicht größer ist als der des Umkreises um die Anordnung der Einkern-Vorformen.
Des weiteren können vorteilhafterweise Stangen aus einem glasartigen Material, als innere Stangen bezeichnet, in die zwischen den Einkern-Vorformen freigelassenen Zwischenräume eingefügt sein.
Ein Glasstück, das als Ziehansatz dient, kann eines der Enden der Mehrkern-Vorformen verlängern. Dieser Ansatz kann aus einem mit dem Ende der Mehrkern-Vorform fest verbundenen Glasstück bestehen oder aus der Verlängerung einer der zu der Mehrkern-Vorform gehörenden Einkern-Vorformen.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das als verdeutlichendes, nicht beschränkendes Beispiel angegeben wird.
In den folgenden Figuren:
- ist Fig. 1 eine Seitenansicht einer Anordnung von fest miteinander verbundenen Einkern-Vorformen gemäß der Erfindung,
- ist Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1,
- ist Fig. 3 eine Seitenansicht einer zum Ziehen bereiten Mehrkern-Vorform gemäß der Erfindung,
- ist Fig. 4 eine Ansicht im Querschnitt einer Variante einer erfindungsgemäßen Mehrkern-Vorform. In allen diesen Figuren tragen gemeinsame Elemente die gleichen Bezugszeichen.
Man sieht in den Fig. 1 und 2 eine Anordnung 1 von sieben Einkern-Vorformen, von denen sechs sogenannte äußere Vorformen 2' eine sogenannte mittlere Vorform 2" umgeben. Jede Einkern-Vorform 2', 2", z. B. durch das MCVD-Verfahren hergestellt, besteht aus einem Kernstab 3, der z. B. aus germaniumdotierten Siliziumdioxid besteht und einen Durchmesser von 1,4 mm hat, umgeben von einer optischen Hülle 4, bestehend z. B. aus Siliziumdioxid, das mit Fluor dotiert ist, um seinen Brechungsindex in Bezug auf den des Kernstabes 3 zu verringern. Der Durchmesser einer jeden Vorform 2', 2" beträgt 8 mm und ihre Länge wenigstens 200 mm. Die mittlere Vorform 2" kann länger als die äußeren Vorformen 2' sein (z. B. kann sie eine Länge von 400 mm haben) um die Montage der Anordnung zu erleichtern und auch, um als Ziehansatz zu dienen (ihr als Ziehansatz dienendes Ende ist in Fig. 3 mit 6 bezeichnet).
Die Kerne 3 der Einkern-Vorformen 2', 2" bilden später die Kerne der herzustellenden Mehrkern-Fasern.
Um das spätere Ziehen zu erleichtern, kann eines der Enden jeder äußeren Vorform 2' abgeschrägt sein, so daß ein Ende 1A der Anordnung 1 eine Kegelform hat (siehe Fig. 1).
Erfindungsgemäß sind die sechs äußeren Vorformen 2' fest miteinander und mit der mittleren Vorform 2" durch Schweißen verbunden, d. h. durch lokales Schmelzen entlang eines Teiles ihrer Berührungslinien T, deren Spur in Fig. 2 schematisch durch einen Punkt dargestellt ist. Das Schmelzen kann z. B. mit Hilfe eines Schweißbrenners oder eines CO&sub2;-Lasers (nicht dargestellt) bewirkt werden, die entlang der Berührungslinien T bewegt werden.
Um die Vorformen 2', 2" während des Schmelzens zu halten, kann man z. B. ein Klemmfutter mit drei Backen (nicht dargestellt) verwenden, von dem jeder Backen einen V-Greifausschnitt hat.
Es ist nicht notwendig, daß die feste Verbindung auf der gesamten Länge der Anordnung 1 hergestellt wird. Sie kann z. B. ausschließlich an den Enden 1A und 1B der letzteren durchgeführt sein.
Die feste Verbindung erlaubt es, eine genaue Positionierung der Vorformen 2', 2" in Bezug zueinander zu gewährleisten, indem vor dem Schweißen die Positionen der Vorformen 2', 2" in Bezug zueinander festgelegt und kontrolliert werden. Diese präzise Positionierung ist leicht auszuführen.
Die durch die Anordnung 1 gebildete Gesamtheit wird als Mehrkern-Vorform bezeichnet und mit 10 bezeichnet.
Um zu gewährleisten, daß die zwischen den Vorformen 2' und 2" freigebliebenen Zwischenräume sich beim späteren Ziehen gut schließen, was es erlaubt, eine kompakte und homogene Mehrkern-Faser zu erhalten, kann man vor dem Ziehen zwischen den Vorformen 2' und 2" ein Vakuum herstellen. Hierfür wird mit einem der Enden 10B der Vorform 10 ein Sackrohr 7 dicht verbunden, d. h. ein Rohr, das in seinem oberen Bereich gegenüber dem an die Vorform 10 angeschlossenen Bereich verschlossen und seitlich über eine seitliches Rohr 8 offen ist, das den Anschluß an (nicht dargestellte) Pumpmittel erlaubt.
Durch Anschließen der Pumpmittel an das seitliche Rohr 8 wird dann in der Vorform 10 ein Primärvakuum in der Nähe von 1 Pa hergestellt, dann wird das Rohr 8 (z. B. mit einem Schweißbrenner) versiegelt, um das Vakuum in der Vorform 10 aufrechtzuerhalten.
Alternativ ist es möglich, das Vakuum in der Vorform 10 während des Ziehens herzustellen. Hierfür sind die Pumpmittel an das Rohr 8 während des Ziehens angeschlossen.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung, bestehend aus der Mehrkern-Vorform 10, dem Ansatz 6 und dem Sackrohr 7 ist dann direkt in einer (nicht dargestellten) Ziehanlage verwendbar. Sie kann dort mit Hilfe von (nicht dargestellten) Dornen in Höhe eines unteren Abschnitts 6A, der zu dem Ansatz 6 gehört, und eines oberen Abschnitts 7B, der zum Sackrohr 7 gehört, gehalten werden.
Das Ziehen findet in herkömmlicher Weise statt, wobei die Ziehtemperatur z. B. in der Nähe von 2000ºC liegt, indem das untere Ende 10A der Mehrkern-Vorform 10 gestreckt wird, bis eine Mehrkern-Faser mit den gewünschten Abmessungen erhalten wird.
Einer sehr vorteilhaften Verbesserung der Erfindung zufolge kann man, um einen guten Zusammenhalt und eine gute Dichtigkeit der Mehrkern-Vorform 10 erhalten, am Boden jedes krummlinigen V-Ausschnittes 12 (siehe Fig. 2), der zwischen zwei äußeren benachbarten Vorformen 2' der Mehrkern-Vorform 10 definiert ist, eine sogenannte äußere Stange 13 (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) aus einem glasartigen Material mit einer Länge in der Nähe der der Einkern-Vorformen 2', 2" einfügen und durch Erhitzen eine Verschweißung dieser Stangen 13 mit den Vorformen 2' herbeiführen, um Brücken 14 zwischen den peripheren Vorformen 2' zu bilden (siehe Fig. 4). Die äußeren Stangen 13 erfüllen so die Haltefunktion, die nach dem Stand der Technik von dem Rohr erfüllt wurde, ohne das mit diesem Rohr verknüpfte Problem herbeizuführen, d. h. die Verringerung des Abstandes zwischen den Kernen der Mehrkern-Faser, weil die Stangen 13 so gewählt werden können, daß der Durchmesser des Umkreises um die Mehrkern-Vorform 10 gleich dem des Umkreises um die Anordnung der Vorformen 2' bleibt.
Einer möglichen Verbesserung zufolge kann man, um das im Inneren der Vorform 10 zwischen den Vorformen 2', 2" freibleibende Volumen zu verringern, die zwischen letzteren freigebliebenen Zwischenräume durch innere Füllstangen 11 aus einem glasartigen Material füllen, wie in Fig. 4 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet eine bessere Positionierung der Einkern-Vorformen in Bezug zueinander als das frühere Verfahren, das einfach darin bestand, letztere frei in einem Rohr anzuordnen.
Man kann ferner eine bequeme Markierung der Kerne der erhaltenen optischen Mehrkern-Faser durchführen, indem z. B. eine gefärbte Füllstange eingefügt wird.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausgestaltung beschränkt.
Insbesondere sind die Zahl der die Mehrkern-Vorform bildenden Einkern-Vorformen sowie ihre Abmessungen nur als Beispiel angegeben, und können an die Merkmale der gewünschten Mehrkern-Faser angepaßt werden. Insbesondere können gemäß der Erfindung Mehrkern-Fasern mit drei oder vier Kernen ausgehend von Mehrkern-Vorformen mit drei oder vier Ein kern-Vorformen hergestellt werden. Es können auch gemäß der Erfindung Mehrkern-Vorformen aus n peripheren Vorformen hergestellt werden, die um einen zentralen Stab aus glasartigem Material angeordnet sind, der nicht notwendigerweise eine Einkern-Vorform ist. In diesem Fall ist der Durchmesser φ des zentralen Stabes aus glasartigem Material gegeben durch die Formel φ = φp (1/sin(π/n) - 1), wobei φp der Außendurchmesser der Einkern-Vorformen ist.
Um den Zusammenhalt der Einkern-Vorformen untereinander während des Schweißens zu gewährleisten, kann man, anstatt Halteklemmbacken zu verwenden, eine vorherige feste Verbindung der Einkern-Vorformen untereinander in Höhe ihrer Enden durch Auftrag von Siliziumdioxid sicherstellen.
Wenn die Toleranzen des Außendurchmessers der Einkern- Vorformen wenig eng sind, d. h. wenn der Fehler ihres Durchmessers größer als 1/10 mm ist, kann man die präzise Positionierung der Einkern-Vorformen in Bezug zueinander mit Hilfe einer Lochlehre durchführen, deren Löcher den Kernen der Einkern-Vorformen entspricht, die am Ende der Anordnung plaziert ist, um die Kerne der Einkern-Vorformen mit den Löchern der Lehre in Koinzidenz zu bringen und dann die inneren Stangen einzufügen, um das resultierende Spiel zwischen den Einkern-Vorformen aufzufüllen. Der Rest des Verfahrens läuft in der zuvor beschriebenen Weise ab. Wenn die Toleranzen des Außendurchmessers der Einkern-Vorformen eng sind, genügt die kompakte Anordnung der letzteren, um die erforderliche Positionierung zu erreichen. Außerdem können die inneren Stangen durch Schweißen mit den Einkern- Vorformen fest verbunden werden. In diesem Fall muß in mehreren Schritten vorgegangen werden, um die Anordnung zu bilden, d. h. um die inneren Stangen mit den inneren Vorformen zu verschweißen und dann die peripheren Vorformen zu verschweißen.
Man kann das Ende der mittleren Einkern-Vorform, die als Ziehansatz dient, durch einen Ziehansatz in Form eines Rohres oder Stabes ersetzen, der durch Schweißen an das Ende der mittleren Einkern-Vorform angefügt ist.
Schließlich kann man jedes Mittel durch ein äquivalentes Mittel ersetzen, ohne den Rahmen der Erfindung zuverlassen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer optischen Mehrkernfaser, folgende Schritte umfassend:

- Zusammenfügen einer Mehrzahl von Vorformen von im wesentlichen identischen optischen Einkernfasern, als Einkern-Vorformen (2', 2") bezeichnet, die jeweils einen Kernstab (3) umgeben von einer optischen Hüllschicht (4) umfassen, um eine sogenannte Mehrkern-Vorform (10) zu bilden,

- Ziehen der Mehrkern-Vorform (10), um die optische Mehrkernfaser zu erhalten,

dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenfügen darin besteht, die Einkern-Vorformen (2', 2") fest miteinander zu verbinden, indem sie miteinander auf der Gesamtheit oder einem Teil ihrer Länge an ihren Berührungslinien (T) verschweißt werden, ohne die Mehrkern-Vorform (10) in ein Halterohr einzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden der Einkern-Vorformen (2', 2") miteinander ein Schritt des Polierens der letzteren durchgeführt wird, der es erlaubt, eine Justierung der Zentrierung ihrer Kerne durchzuführen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ziehen in der Mehrkern-Vorform (10) ein Vakuum hergestellt wird, und die Vorform (10), in der das Vakuum hergestellt ist, versiegelt wird, um dieses Vakuum während des Ziehens zu erhalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkern-Vorform (10) eine Mehrzahl von Stangen (13) aus einem glasartigen Material umfaßt, als äußere Stangen bezeichnet, wobei jede dieser äußeren Stangen (13) zwischen zwei benachbarten der Einkern- Vorformen (2') verschweißt ist, die an der Peripherie der Mehrkern-Vorform (10) angeordnet sind, um Brücken (14) zwischen den peripheren Einkern-Vorformen (2') zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der äußeren Stangen (13) derart ist, daß der Durchmesser des Umkreises um die Mehrkern-Vorform (10) nicht größer ist als der des Umkreises um die Anordnung der Einkern-Vorformen (2', 2").

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Stangen (11) aus einem glasartigen Material, als innere Stangen bezeichnet, in die zwischen den Einkern-Vorformen (2', 2") freigebliebenen Hohlräume eingefügt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glasstück, das als Ziehansatz dient, eines der Enden der Mehrkern-Vorform (10) verlängert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz aus einem mit dem Ende der Mehrkern-Vorform fest verbundenen Glasstück besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz aus einer Verlängerung (6) einer der zu der Mehrkern-Vorform (10) gehörenden Einkern-Vorformen (2") besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Enden (10A) der Mehrkern- Vorform (10) vor dem Ziehen bearbeitet wird, so daß es eine Kegelform hat.