DE69815853T2

DE69815853T2 - Vorrichtung und verfahren zum ummanteln eines vorformstabes für optische fasern und verfahren zum ziehen von optischen fasern

Info

Publication number: DE69815853T2
Application number: DE69815853T
Authority: DE
Inventors: Young-Joo Chung; Mun-Hyun Do; Ki-Un Namkoong; Kyung-Hwan Oh; Seung-Hun Oh; Un-Chul Paek; Man-Seok Seo; Ghie-Hugh Song
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: JP3531647B2; US6053013A; CA2284562C; JP2000510093A; CN1116238C; BR9808072A; CN1257464A; WO1998043921A1; CA2284562A1; DE69815853D1; AU719475B2; RU2187474C2; EP1001912B1; EP1001912A1; AU6524498A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Vorformen optischer Fasern mit großem Durchmesser und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ummanteln eines Vorformstabes für optische Fasern, bei dem eine Herstellungszeit der Vorform durch Vorheizen einer Glasröhre mit einem Ofen, das Heizen der Glasröhre mit einem Sauerstoff/Wasserstoff-Brenner und das Kolabieren der Glasröhre auf dem Vorformstab reduziert ist.
Eine optische Faser wird allgemein in zwei Verfahren hergestellt.
Ein Vorformstab wird präpariert und dann wird eine Vorform durch ein Stab-in-Röhre- oder -Ummantelungsverfahren im ersten Herstellungsverfahren hergestellt. Im zweiten Herstellungsverfahren wird eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 125 um schmelzgezogen von der hergestellten Vorform.
Der Vorformstab wird durch Anlagerung von außen und von innen hergestellt. Bei dem Anlagungsverfahren von außen, wie einem VAD (axiale Dampfphasenablagerung)-Verfahren oder einem OVD (Außendampfablagerung)-Verfahren, werden SiO&sub2;- Teilchen, genannt Ruß, auf dem Vorformstab von außen durch hydrolisierende chemische Gase wie SiCl&sub4; abgelagert sowie andere Dotiermittel zusammen mit Sauerstoff durch Flammen, während die Gase dem Vorformstab zugeführt werden. Dann wird dieser poröse Vorformstab einem Ofen zugeführt, dehydriert und gesintert unter Verwendung von Cl&sub2; und He, wodurch ein transparenter Vorformstab erhalten wird. Andererseits wird in dem Innenablagerungsverfahren mit CVD (chemische Dampfabscheidung)- Verfahren oder einem MCVD (modifiziertes CVD)-Verfahren, eine Vielzahl von Schichten auf der Innenseite einer Glasröhre durch Verwendung von SiCl&sub2; abgelagert und andere Dotiermittel zusammen mit O&sub2; in der Röhre abgelagert, wobei die Schichtabgelagerte Glasröhre bei hoher Temperatur geheizt wird und kollabiert, während Cl&sub2; und He der Röhre zugeführt werden. Auf diese Weise wird ein Glasstab erhalten. Das MCVD-Verfahren ist weit verbreitet und ermöglicht die Herstellung von Glasvorformstäben hoher Qualität.
MCVD und CVD-Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern sind allerdings auf Herstellung von Vorformstäben mit einem Durchmesser von 23 mm oder mehr im Hinblick auf deren Verfahrensmerkmale begrenzt. Um daher die Ausbeute zu erhöhen, wurde ein Ummantelungsverfahren erforscht, bei dem eine Glasröhre durch Schmelzen einem Vorformstab, hergestellt durch die oben beschriebenen Innenablagerungsverfahren, aufgebracht wurde.
Um eine Vorform mit großem Durchmesser zu erhalten, wird ein präparierter Vorformstab in eine Glasröhre mit großem Durchmesser eingesetzt. Diese wird dann erhitzt und kollabiert auf den Stab in dem Stab-Innen-Röhren- oder Ummantelungsverfahren, wie es gut bekannt ist und daher im Folgenden nicht im Detail beschrieben wird. Die entsprechenden Details sind beispielsweise in der US 4,820,322 von Jeny W. Baumgart et al. mit Titel "Method and Apparatus for Overcladding a Glass rod" beschrieben, das vertikale Drehbank und Stab-in-Röhren- oder Ummantelungsverfahren zum Erhalt einer Vorform mit großem Durchmesser verwendet, wobei ein Vorformstab in eine Glasröhre mit großem Durchmesser eingesetzt, erhitzt wird und auf der Glasröhre während der Reduzierung des Drucks in der Lücke zwischen Röhre und Stab mittels Vakuum kollabiert. Ein weiteres in diesem Dokument beschriebenes Verfahren verwendet einen Zirkonerde-Induktionsofen zum Kollabieren einer Röhre auf einer Stange während einer optischen Faserziehtätigkeit.
Auch wenn es keine Schwierigkeiten beim Einsetzen und Ummanteln eines Vorformstabes hergestellt durch MCVD-Verfahren in und mit einer Glasröhre mit einem Außendurchmesser von 70 mm gibt, steigt doch der Bedarf an Hitze, der zum Ummanteln erforderlich ist, mit Anwachsen des Außendurchmessers oder der Dicke des Glases, und als Ergebnis, wird sich die Ummantelungsrate eines Brenners zur äußerlichen Zufuhr von Hitze vermindern. Dieser Nachteil kann ausgeräumt werden, indem Unterdruck an der Zwischenfläche zwischen Vorformstab und Glasröhre weiterhin vermindert wird, wobei allerdings ein sehr hoher Unterdruck eine Verschlechterung der Konzentrizität und Zirkularität des Querschnitts der Vorform verursacht.
Andererseits kann die von außen zuzuführende Wärmeenergie dadurch erhöht werden, dass einfach die Zufuhrflussrate eines Sauerstoff-Wasserstoff-Brenners erhöht wird. Die Außenfläche der Glasröhre weicht auf, was allerdings zu einer niedrigeren Viskosität führt, während die Innenfläche nur sehr langsam aufweicht und eine vorbestimmte Viskosität beibehält. Daher kann die Oberfläche der Glasröhre durch den Flammendruck des Sauerstoff-Wasserstoff-Brenners bei der erhöhten Zufuhrflussrate deformiert werden oder Kontaminierungsteilchen können vom Brenner zur Oberfläche der Glasröhre mit großem Durchmesser zugeführt werden. Der Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner kann Wärme nicht ausreichend der Oberfläche der Glasröhre aufgrund seiner relativ kurzen Heizzone zuführen und es ergibt sich eine ungleichmäßige Temperaturverteilung entlang der Peripherie der Glasröhre. Folglich können geometrische Ungleichmäßigkeiten, wie Ovalheit im Querschnitt der Glasröhre, auftreten und der Unterschied zwischen den Viskositäten der Außen- und Innenflächen der Glasröhre erhöht Mikrobiegeverluste. Weiterhin ist die Ausbeute erheblich reduziert, da ungefähr zwei bis vier Stunden zur Herstellung einer Vorform erforderlich sind.
Aus der gemäß Ummantelungsverfahren hergestellten Vorform kann eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 125 um schmelzgezogen werden bei vorbestimmter linearer Geschwindigkeit unter einer vorbestimmten Zuglast. Der Kernpunkt beim Ziehverfahren ist die Erhöhung der Produktivität pro Zeiteinheit durch Erhöhen der Lineargeschwindigkeit und eine entsprechende Lineargeschwindigkeit ist gewöhnlich 600 bis 1200 m/min.
Allerdings hat das oben beschriebene Ziehverfahren für optische Fasern den Nachteil, dass eine Massenproduktion von optischen Fasern unmöglich ist, aufgrund der geringen linearen Geschwindigkeit, und die Produktionsausbeute ist vermindert und die Kosten der optischen Fasern sind erhöht durch das zusätzliche Ummantelungsverfahren zur Herstellung einer Vorform aus dem Vorformstab vor dem Ziehen der optischen Faser.
Eine weitere bekannte Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von optischer Faservorformen und zum Ziehen von optischen Fasern aus der Vorform sind in der US 2,980, 957 von J. W. Hicks, Jr mit Titel " Method and Apparatus for use in the fabrication of Light-Conducting Devices" beschrieben, wobei Vorrichtung und Verfahren zum Kollabieren einer Glasröhre auf einem Glasstab unter Verwendung einer vertikalen Halteeinrichtung verwendet werden, wobei Gase zwischen der Röhre und der Stange durch Vakuum entfernt werden. Die gebildete Vorform wird dann aus der Vorrichtung zur Bildung einer optischen Faser herausgezogen. US 4,602,926 von Andrew P. Harrison et al. mit Titel "Optical fiber fabrication" beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern durch Zuführung einer Stange und einer Röhre zu einem Ofen mit unterschiedlichen Raten, wobei der Durchmesser der vom Ofen herausgezogenen Faser überwacht wird. US 4,793,842 von Hiroshi Yokota et al. mit Titel "Method for producing glass preform for optical fiber" beschreibt ein Verfahren zum Kollabieren einer Röhre auf einer Stange zur Herstellung einer Vorform, wobei die Lücke zwischen Röhre und Stange mit einer Gasmischung aus Siliziumhalogeniden, einer Fluor enthaltenen Zusammensetzung und Sauerstoff gefüllt ist und bei einer Temperatur zwischen 500 und 1900ºC vorgeheizt wird. Nach dem Vorheizschritt wird die Atmosphäre in der Lücke durch eine Gasmischung aus Halogen enthaltenen Zusammensetzungen und Sauerstoff ersetzt. Ein Ende der Röhre kollabiert auf den Stab unter Bildung einer Abdichtung und dann kollabiert die Röhre auf dem Stab, während der Druck in der Lücke durch eine Absaugeinrichtung vermindert wird. Das europäische Patent 501 429 von Masami Ito et al. mit Titel "Method for producing glass preform form optical fiber" beschreibt ein Verfahren zum Anbringen einer Röhre und eines Stabes in einer vertikalen Drehbank, wobei die Stange in die Röhre eingesetzt wird, die Lücke zwischen Stange und Röhre mit einem Halogen enthaltenen Gas und Sauerstoff gefüllt wird und anschließend die Röhre auf dem Stab zur Bildung einer optischen Faservorform kollabiert.
Um die bekannten Nachteile zu beseitigen, ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ummanteln eines Vorformstabes für optische Fasern bereitzustellen, bei denen eine ungleichmäßig Temperaturverteilung auf der Peripherie einer Glasröhre durch Übertragen einer ausreichenden Wärme auf die Glasröhre durch einen Ofen mit breiter Heizzone vermindert wird und die Konzentrizität im Querschnitt der Vorform durch stabiles Kollabieren der Glasröhre auf den Vorformstab durch Anwenden von Sauerstoff- und Wasserstoffdrücken bei der Herstellung der optischen Faservorform gesichert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 beziehungsweise 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich durch die Unteransprüche. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer optischen Faser durch Schutz der Oberfläche des Vorformstabes vor Kontaminierungsteilchen unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff bei niedrigen Flussraten bei der Herstellung eines optischen Faserstabes.
Die Kollabierrate der Glasröhre mit großem Durchmesser kann maximal 5-fach durch Erhöhen der Gesamtwärmeenergie bei der Herstellung der Vorform der optischen Faser erhöht werden.
Gemäß der Erfindung kann eine Vorform hergestellt werden unabhängig vom Außendurchmesser der Glasröhre, wobei ein Vorformstab mit einer Glasröhre ummantelt wird.
Weiterhin kann die Ausbeute der Vorformen erhöht werden.
Gemäß der Erfindung ist es ebenfalls möglich, eine Glasröhre gleichmäßig zu erweichen von Außen- und Innenseite her.
Weiterhin wird die Herstellung einer stabilen Vorform durch Schutz der Oberfläche der Glasröhre vor Kontaminierungsmitteln von einem Brenner ermöglicht.
Gemäß der Erfindung wird eine Zwischenfläche zwischen Vorformstab und Glasröhre vor Spannungen durch Steuerung der Viskositäten geschützt und eine Herstellungszeit der optischen Faser kann vermindert werden.
Eine vollständige Würdigung vorliegender Erfindung und vieler mit ihr verbundenen Vorteile ergibt sich aufgrund der folgenden Detailbeschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauteile kennzeichnen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ofen und einer Ummantelungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung zur Verwendung bei der Herstellung einer Vorform für optische Fasern;
Fig. 2 eine Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorform aus einem Vorformstab in der Vorrichtung nach Fig. 1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
Fig. 3A einen Schnitt entlang Linie A-A aus Fig. 2;
Fig. 3B einen Schnitt entlang Linie B-B aus Fig. 2;
Fig. 3C einen Querschnitt einer mit Vorrichtung nach Fig. 1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel hergestellten Vorform;
Fig. 4 eine Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorform unter Steuerung der Viskosität zwischen einem Vorformstab und einer Glasröhre durch Injektion eines glasbildenden Materials in einem Ofen mit einer Ummantelungseinrichtung gemäß zweitem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, und
Fig. 5 eine Ansicht zur Darstellung eines Verfahrens zum Ziehen einer optischen Faser unter sukzessiver Verwendung eines Ofens.
Gemäß Fig. 1 weist der Ofen und die Ummantelungsvorrichtung gemäß erstem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine vertikale Drehbank 10 mit Spannbacken 20 und 30 zum vertikalen Halten einer Glasröhre 102 und eines Vorformstabes 100 auf. Ein Schlitten 60 ist an der vertikalen Drehbank 10 zur vertikalen Bewegung eines Sauerstoff- Wasserstoff Brenners 40, der an dem Schlitten 60 befestigt ist, installiert, wobei der Brenner zum Heizen von Vorformstab 100 und Glasröhre 102 dient. Ein Ofen 50 ist unter dem Brenner 40 im Schlitten 60 angeordnet zum Heizen und Vorheizen des Vorformstabes 100 und der Glasröhre 102. Eine Vakuumpumpe 114 ist mit einem Ende der vertikalen Drehbank 10 durch ein Kopplungselement verbunden. Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) zur Steuerung der Drehung der Glasröhre 102 ist mit einer Tragröhre 103 verbunden, die durch die Spannbacke 30 ergriffen ist. Die Steuereinrichtung (nicht dargestellt) steuert weiterhin die Vertikalbewegungsgeschwindigkeit des Schlittens 60, die Flussrate des Brenners 40 und den Druck der Vakuumpumpe 114. Eine Spannungsversorgung 12 ist mit dem Ofen 50 über Busstangen 53 und Kabel 55 zur Spannungsversorgung mit Ofen 50 verbunden. Bauteile der Ummantelungsvorrichtung des Vorformstabes zur Herstellung der optischen Faser werden im Weiteren im Detail beschriebne.
Eine Führungsstange 11 und eine Übertragungseinrichtung (nicht dargestellt) sind für die vertikale Drehbank 10 zur vertikalen Bewegung des Schlittens 60 vorgesehen. Obere und untere Spannbacken 20, 30 sind an gegenüberliegenden Enden der Drehbank 10 angeordnet. Der obere Spannbacken 20 ist drehbar an Vorformstab 100 angebracht, während der untere Spannbacken 30 drehbar Tragröhre 103 mit an dieser angebrachten Glasröhre 102 hält. Schlitten 60 mit an ihm angebrachtem Brenner 40 bewegt sich entlang Führungsstange 11 der vertikalen Drehbank 10 in vertikaler Richtung. Ofen 50 ist unterhalb des Brenners 40 angeordnet. Eine flexible Ventilationsführung 42 ist oberhalb des Brenners 40 vorgesehen. Dabei sind Führung 42, Brenner 40 und Ofen 50 einteilig am Schlitten 60 angebracht und deren vertikale Bewegungen werden durch die Steuereinrichtung (nicht dargestellt) gesteuert.
Ofen 50 hat einen wärmeabgebenden Körper aus Graphit und gibt Hitze im Allgemeinen im Bereich von 2000 bis 2500ºC bei entsprechender Spannungsversorgung durch Spannungsquelle 12 ab. Die Wärmeübertragung auf Glasröhre 102 und Vorformstab 100 durch Strahlung bildet heiße Zonen an diesen. Eine Manipulationseinheit (Steuerpaneel) 54 ist entlang der Längsachse des Ofens 50 zum Ermöglichen von Benutzermanipulationen installiert.
Ofen 50 hat einen vertikal längeren Wärmeabgabebereich und eine geringere Dicke als normalerweise bei Ziehverfahren von optischen Fasern verwendet, um den Übertrag von Strahlungswärme zu maximieren. Ofen 50 kann noch dünner durch teilweises vermindern der Dicke eines Liner (nicht dargestellt) im Ofen 50 gebildet werden. Graphit vom elektrischen Widerstandstyp oder Zirkonerde (ZrO&sub2;) vom Induktionstyp wird für den wärmeemittierenden Körper des Ofens 50 verwendet. Eine Vielzahl von Röhren 58 sind mit dem Ofen 50 zum Einleiten von He (Helium), Ar (Argon) oder einer Mischung aus diesen (He + Ar) in den Ofen 50 verbunden. Oben und unten am Ofen 50 sind Abdeckungsflansche 52 und Leiterflansche 51a und 51b entsprechend angeordnet. Leiterflansche 51a und 51b sind mit der Vielzahl von Busstangen 53 zum Empfang einer Versorgungsspannung über Kabel 55 von Versorgungsquelle 12 verbunden und sind fest am Ofen 50 durch Zugstangen 56 an den Ecken angebracht.
He- oder Ar-Gas wird als Edelgas dem Ofen 50 injiziert, der auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist, um eine Oxidation des Graphits an der Außenfläche des Vorformstabes 100 oder Glasrohres 102 zu verhindern, wobei die Wärmetemperaturverteilung gleichmäßig auf der Außenfläche des Vorformstabes 100 und der Glasröhre 102 aufgrund der ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit ist. Ein Pyrometer 57 mit einem im Körper des Ofens 50 installierten Temperatursensor erfasst die Innentemperatur des Ofens 50. Eine Kühlleitung (nicht dargestellt) ist ebenfalls für den Ofen 50 zum Herunterkühlen des Ofens 50 nach Heizen auf eine hohe Temperatur vorgesehen.
Die oben beschriebene Ummantelungsvorrichtung für den Vorformstab sollte an einer solchen Stelle installiert werden, dass deren Umgebungstemperatur zwischen 0 und 40º C und dessen Umgebungsfeuchtigkeit ungefähr 50% ist.
Bei der auf diese Weise aufgebauten Ummantelungsvorrichtung wird der vorbereitete Vorformstab 100 in der oberen Spannbacke 20 eingeklemmt und vertikal ausgerichtet. Vorzugsweise ist der Vorformstab 100 an einer Handhabungsstange (nicht dargestellt) von gleichem Durchmesser wie der Vorformstab 100 angebracht und diese Handhabungsstange ist von der oberen Spannbacke 20 gehalten. Dann wird pin Ende der Glasröhre 102 mit großem Durchmesser mit der Tragröhre 103 verbunden, die fest in der unteren Spannbacke 30 gehalten ist, und die Glasröhre 102 wird vertikal ausgerichtet.
Anschließend wird die von der oberen Spannbacke 20 gehaltene Vorformstange 100 nach unten bewegt und koaxial in die Glasröhre 102 unter Steuerung der Steuereinrichtung eingesetzt. Eine Heißzone des Ofens 50 wird um einen vorbestimmten oberen Bereich der Glasröhre 102 positioniert, in dem die Vorformstab 100 eingesetzt ist, mittels Bewegung des Schlittens 60 gesteuert durch die Steuereinrichtung. Der Ofen 50 heizt den vorbestimmten oberen Bereich der Glasröhre 102 für 10 bis 30 Minuten mit einem Edelgas und einer zugeführten Spannung vor, während die Kombination aus Vorformstab 100 und Glasröhre 102 synchron mit 20 bis 30 Umdrehungen pro Minute durch Antrieb beider Spannbacken 20 und 30 gesteuert durch die Steuereinrichtung gedreht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner 40 mit einer anfänglichen Gasflussrate eingeschaltet.
Wenn der vorgeheizte Bereich der Glasröhre 102 in seiner Viskosität vermindert und aufgeweicht ist, wird der Vorformstab 100 vollständig im Glasrohr 102 durch Absaugen der Luft in der Lücke zwischen Vorformstab 100 und Glasröhre 102 unter Verwendung der Vakuumpumpe 114 gesteuert durch die Steuereinrichtung abgedichtet. Die Zwischenfläche zwischen Vorformstab 100 und Glasrohr 102 kann spannungsfrei durch Fluss von SiCl&sub4; und O&sub2; durch die Lücke und durch Ermöglichen einer Ablagerung eines Kontaktmaterials, wie eines Glasbildungsmaterials POCl&sub4; in die Lücke gehalten werden. Dann wird der Schlitten 60 nach unten bewegt und die Flussrate des Sauerstoff-Wasser- Brenners 40 wird auf 75 l pro Minute (LPM) für Sauerstoff und 150 l pro Minute für Wasserstoff erhöht.
Schlitten 60 bewegt sich nach unten mit einer leicht ansteigenden Geschwindigkeit von 1 Zentimeter pro Minute (CPM) bis 3 bis 5 Zentimeter pro Minute und folglich wird die Glasröhre 102 einteilig auf der gesamten Länge des Vorformstabes 100 kollabieren. Dann wird der Ofen 50 ausgeschaltet und der Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner 40 wird um einen Verbindungsbereich zwischen Glasrohr 102 und Tragrohr 103 angeordnet und erweicht den Verbindungsbereich durch Aufheizen für 3 bis 5 Minuten mit Sauerstoff einer Flussrate von 75 l pro Minute und Wasserstoff von 150 l pro Minute. Oberer Spannbacken 2 wird dann langsam um 1 bis 3 mm pro Minute nach oben bewegt und der erweichte Verbindungsbereich wird dünn.
Erreicht der Außendurchmesser der Vorform aus Vorformstab 100 und Glasröhre 102 2/3 rds des erwünschten Durchmessers der vollständigen Vorform, wird die Vorform vollständig von der Tragröhre 103 durch schnelles Bewegen des oberen Spannbackens 20 mittels der Manipulationseinheit 54 entfernt. Die vervollständigte Vorform wird von den Spannbacken 20 und 30 entnommen und in eine Aufnahme in einer vorbestimmten Zeit abgekühlt. Folglich ist der Ummantelungsprozess des Vorformstabes beendet.
Nach Fig. 2 und 3A bis 3C wird ein Ummantelungsverfahren zur Herstellung einer Vorform unter Verwendung des obigen Ofens und der Ummantelungsvorrichtung beschrieben. Vorformstab 100 wird durch Außenablagerung oder Innenablagerung hergestellt und Glasröhre 102 ist eine natürliche Quarzröhre oder eine synthetische Quarzröhre mit einem Innendurchmesser von 10 mm oder mehr und einem großen Außendurchmesser. Dann wird der Vorformstab 100 im oberen Spannbacken 20 eingeklemmt und vertikal ausgerichtet. Ein Ende der Glasröhre 102 mit großem Durchmesser ist mit der Tragröhre 103 verbunden. Diese ist im unteren Spannbacken 30 eingeklemmt. Die Glasröhre 102 wird vertikal ausgerichtet. In diesem Fall ist eine Lücke 108 zwischen Vocformstab 100 und Glasröhre 102 in Fig. 2 und 3B abgebildet.
Anschließend wird der im oberen Spannbacken 20 gehaltene Vorformstab 100 nach unten bewegt zum koaxialen Einsetzen in Glasröhre 102 unter Steuerung der Steuereinrichtung (nicht dargestellt). Eine Heißzone des Ofens 50 wird um einen vorbestimmten oberen Bereich der Glasröhre 102 mit eingesetztem Vorformstab 100 positioniert durch Bewegen des Schlittens 60 unter Steuerung der Steuereinrichtung. Eine Versorgungsspannung wird dem Ofen 50 zugeführt und Edelgas wie Ar, He oder N wird in die Lücke 108 mit 5 bis 10 l pro Minute injiziert, während Vorformstab 100 und Glasröhre 102 synchron mittels Spannbacken 20 und 30 gedreht werden. Erreicht die Oberfläche der Glasröhre 102 1700ºC, vermindert der Brenner 40 seine Wärmetemperatur mit Sauerstoff von 5 l pro Minute und Wasserstoff von 10 l pro Minute und erwärmt die Oberfläche der Glasröhre 102, während sich Schlitten 60 nach unten mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 5 cm pro Minute bewegt. Dann wird die Innenseite der Glasröhre 102 durch Wärmeübertrag von der Außenfläche und des Edelgases erwärmt, so dass Mikrostaubpartikel, die an der Innenfläche haften, weggebrannt werden. Mikrostaubpartikel werden ebenfalls von der Außenfläche des Vorformstabes 100 weggebrannt, der durch den Wärmeübertrag von der Innenfläche und durch das Edelgas erwärmt wird.
Als nächstes bewegt sich der Schlitten 60 nach oben, um nochmals den Ofen 50 über den vorbestimmten oberen Bereich der Glasröhre 102 zu positionieren. Glasröhre 102 wird dann für 10 bis 30 Minuten durch Zufuhr von inertem Gas in den Ofen 50 vorgeheizt, während Glasrohr 102 und Vorformstab 100 synchron mit 20 bis 30 Umdrehungen pro Minute durch Spannbacken 20 und 30 gedreht werden. Zu diesem Zeitpunkt wird der Brenner 40 oberhalb des Ofens 50 mit Wasserstoff bei 30 l pro Minute und Sauerstoff bei 15 l pro Minute angezündet. Dann werden Vorformstab 100 und Glasrohr 102 nach Fig. 3B konfiguriert.
Wenn der vorgeheizte Bereich der Glasröhre 102 in seiner Viskosität abnimmt und aufweicht, wird Luft aus der Lücke 108 zwischen Vorformstab 100 und Glasröhre 102 durch Betreiben der Vakuumpumpe 114 und der Steuerung der Steuereinrichtung abgesaugt und der Vorformstab 100 innerhalb der Glasröhre 102 an einem Ende der Glasröhre 102 vollständig abgedichtet. Dann wird der Schlitten 60 nach unten mit leicht ansteigender Geschwindigkeit von 1 cm pro Minute bis 3 bis 5 cm pro Minute bewegt und gleichzeitig die Flussraten von Wasserstoff und Sauerstoff des Brenners 14 auf 75 l pro Minute und 150 l pro Minute entsprechend erhöht, so dass die Glasröhre 102 auf der gesamten Länge auf Vorformstab 100 kollabiert, während sie mit vorbestimmter Umdrehungsgeschwindigkeit gedreht werden. Ofen 50 wird ausgeschaltet und Brenner 40 wird um den Verbindungsbereich zwischen Glasröhre 102 und Tragröhre 103 positioniert und weicht den Verbindungsbereich bei 75 l pro Minute Sauerstoff und 150 l pro Minute Wasserstoff für 3 bis 5 Minuten auf. Ist der Verbindungsbereich zwischen Tragröhre 103 und Glasröhre 102 aufgeweicht, wird er dünn durch langsame Bewegung der oberen Spannbacke 20 nach oben mit 1 bis 3 mm/min. Erreicht der Außendurchmesser einer Vorform bei der Herstellung 2/3 des Außendurchmessers der vervollständigten Vorform 112, wird diese vollständig von der Tragröhre 103 durch schnelles Bewegen des oberen Spannbackens 50 nach oben unter Verwendung der Manipulationseinheit 154 getrennt und in einer Aufnahme für eine vorbestimmte Zeit gekühlt. Dann ist das Ummantelungsverfahren beendet und eine Vorform 112 nach Fig. 3C konfiguriert.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Ummantelungsverfahren zur Herstellung einer Vorform, Steuerung der Viskosität zwischen einer Vorform und einer Glasröhre durch Injektion eines glasbildenden Materials in die Lücke zwischen diesen, wobei dies in einem Ofen und einem Ummantelungsverfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel folgender Erfindung erfolgt.
Ein Vorformstab 100 wird durch Außenablagerung oder Innenablagerung hergestellt und eine Glasröhre 102 aus einer natürlichen Glasröhre oder einer synthetischen Glasröhre mit einem Innendurchmesser von 10 mm oder mehr und einem großen Außendurchmesser wird verwendet. Dann wird der Vorformstab 100 in der oberen Spannbacke 20 eingeklemmt und vertikal ausgerichtet. Ein Ende der Glasröhre 102 ist mit einer Tragröhre 103 verbunden. Tragröhre 103 ist im unteren Spannbacken 30 gehalten und die Glasröhre 102 wird vertikal ausgerichtet, wobei eine Lücke 108 zwischen Vorformstab 100 und Glasröhre 102 verbleibt. Dann wird der im oberen Spannbacken 20 gehaltene Vorformstab 100 nach unten bewegt, um koaxial in die Glasröhre 102 unter Steuerung der Steuereinrichtung eingesetzt zu werden. Eine Heißzone des Ofens 50 wird um einen vorbestimmten Bereich der Glasröhre 102 mit eingesetztem Vorformstab 100 positioniert, wobei Schlitten 60 durch die Steuereinrichtung gesteuert bewegt wird. Eine Versorgungsspannung wird dem Ofen 50 zugeführt und, siehe Fig. 4, ein inertes Gas wie Ar, He oder N wird in die Lücke 108 mit 5 bis 10 Liter pro Minute durch ein Drehanschlussstück injiziert, während Vorformstab 100 und Glasröhre 102 durch Spannbacken 20 und 30 gedreht werden. Erreicht die Oberfläche der Glasröhre 102 1700ºC vermindert Brenner 40 seine Wärmetemperatur mittels Sauerstoff mit 5 Liter pro Minute und Wasserstoff mit 10 Liter pro Minute und erwärmt die Oberfläche der Glasröhre 102, während der Schlitten 60 sich nach unten mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 5 cm pro Minute bewegt. Dann wird die Innenfläche der Glasröhre 102 durch Wärmeübertrag von der Außenfläche und das inerte Gas erhitzt, wobei Mikrostaubpartikel, die an der Innenoberfläche haften, weggebrannt werden. An der Außenfläche des Vorformstabs 100 haftende Mikrostaubpartikel werden ebenfalls weggebrannt, wobei der Vorformstab durch Hitzeübertrag von der Innenfläche und dem inerten Gas erhitzt wird.
Zur Steuerung der Viskosität an der Zwischenfläche zwischen Glasröhre 102 und Vorformstab 100 wird dann ein glasbildendes Material 100 in die Lücke 108 zusammen mit SiCl&sub4; injiziert. Das heißt, ein Masseflusssteuergerät 104 führt SiCl&sub4; mit 500 Milligramm pro Minute und POCl&sub4; mit 30 Milligramm pro Minute oder beide Gase und Freon oder/und Boron vorbestimmter Rate dem Drehanschlussstück 106 zu. Dieses mischt SiCl&sub4; mit dem glasbildenden Material 110 und injiziert die Mischung in Lücke 108.
SiCl&sub4; und glasbildendes Material 110 reagieren entsprechend der folgenden chemischen Formeln und steuern die Viskosität an der Zwischenschicht.
SiCl&sub4; + POCl&sub3; + O&sub2; → SiO&sub2; + P&sub2;O&sub5; + 2Cl&sub2; ↑ (Gas)
SiCl&sub4; + POCl&sub3; + Freon + O&sub2; → SiO&sub2; + P&sub2;O&sub5; + F + 2Cl&sub2; ↑ (GaS)
SiCl&sub4; + POCl&sub3; + Freon + Boron + O&sub2; → SiO&sub2; + P&sub2;O&sub5; + F + B&sub2;O&sub3; + 2Cl&sub2; ↑ (Gas)
Eine Kieselerdeschicht mit passender Viskosität wird langsam durch Heizen von SiCl&sub4; und des Glasbildematerials 110 in Lücke 108 abgelagert. Dort wird die Oberfläche der Glasröhre 102 auf 1800ºC aufgeheizt und die Abwärtsgeschwindigkeit des Brenners 40 beträgt 1,5 bis 2 cm pro Minute.
Als nächstes wird ein vorbestimmter Bereich der Glasröhre 102 für 10 bis 30 Minuten durch Zufuhr von inertem Gas in den Ofen 50 vorgeheizt, während Glasröhre 102 und Vorformstab 100 synchron mit 20 bis 30 Umdrehungen pro Minute in Spannbacken 20 und 30 gedreht werden. Zu diesem Zeitpunkt wird der Brenner 40 oberhalb des Ofens 50 mit Wasserstoff bei 30 Liter pro Minute und Sauerstoff bei 15 Liter pro Minute angezündet.
Wenn der vorbestimmte Bereich der Glasröhre 102 in seiner Viskosität abnimmt und aufweicht, wird Luft aus der Lücke 108 zwischen Vorformstab 100 und Glasröhre 102 durch Antreiben der Vakuumpumpe 114 mittels der Steuereinrichtung abgesaugt und ein Ende des Vorformstabs 100 in Glasröhre 102 vollständig abgedichtet. Dann wird Schlitten 60 nach unten mit leicht ansteigender Geschwindigkeit von 1 cm pro Minute bis 3 bis 5 cm pro Minute bewegt und gleichzeitig die Sauerstoff- und Wasserstoffflussraten des Brenners 40 auf 75 Liter pro Minute und 150 Liter pro Minute entsprechend erhöht, so dass die Glasröhre 102 auf der gesamten Länge des Vorformstabes 100 kollabiert, während diese mit vorbestimmter Umfangsgeschwindigkeit gedreht werden. Ofen 50 wird dann ausgeschaltet und Brenner 40 wird um den Verbindungsbereich zwischen Glasröhre 102 und Tragröhre 103 positioniert und erweicht diesen Verbindungsbereich mit 75 Liter pro Minute Sauerstoff und 150 Liter pro Minute Wasserstoff für 3 bis 5 Minuten. Wenn der Verbindungsbereich zwischen Tragröhre 103 und Glasröhre 102 weich geworden ist, wird der Verbindungsbereich dünner durch langsame Bewegung des oberen Spannbackens 20 nach oben mit 1 bis 3 mm/min. Wenn der Außendurchmesser der Vorform bei der Herstellung 2/3 des Außendurchmessers der Endvorform 112 ist, wird die Vorform 112 vollständig von der Tragröhre 103 durch schnelle Bewegung des oberen Spannbackens 20 nach oben mittels der Manipulationseinheit 54 bewegt in einer Aufnahme für eine vorbestimmte Zeit abgekühlt. Damit ist das Ummantelungsverfahren abgeschlossen. Bei dem Ummantelungsverfahren absorbiert die auf diese Weise hergestellte Vorform 112 äußere Stöße und die Zwischenfläche zwischen Vorformstab 100 und Glasrohr 102 ist spannungsfrei.
Fig. 5 ist eine Ansicht zur Darstellung eines Verfahrens zum Ziehen einer optischen Faser unter sukzessiver Verwendung eines Ofens ohne ein Ummantelungsverfahren. Bei dem Ziehverfahren der optischen Faser wird ein Vorformstab 158 in eine Glasröhre 156 eingesetzt, wobei sie vertikal ausgerichtet ist. Mit deren unteren Enden in Abdichtung werden kombinierte Vorformstange 158 und Glasröhre 156 in einem Spannbacken 154 eingeklemmt, der in einem Zuführmodul 150 eines optischen Faserziehapparates vorgesehen ist.
Dann werden die nicht abgedichteten Enden von Vorformstab 158 und Glasröhre 156 mit einer Vakuumpumpe 152 verbunden und die abgedichteten Enden werden vertikal einem Ofen 162 zugeführt, wobei sie mit einer Heißzone des Ofens 162 ausgerichtet sind. Um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen, ist der Ofen 162 aus Graphit gebildet. Der Ofen 162 wird dann durch Einschalten einer Spannungsversorgung (nicht dargestellt) eingeschaltet und Ar-Gas wird mit 10 Liter pro Minute in den Ofen 162 zur Verhinderung einer Oxidation des Graphits injiziert. Die abgedichteten Enden von Vorformstab 158 und Glasrohr 156 werden durch den Ofen 162 für 20 oder mehr Minuten vorgewärmt, erwärmt und erweicht. Zuführmodul 150 mit darin fixiertem Vorformstab 158 wird betätigt, während ein Druck von ungefähr -700 mm bar von der Vakuumpumpe 152 der Lücke zwischen Glasröhre 156 und Vorformstab 158 angelegt wird.
Folglich wird eine optische Faser 160 mit einem Außendurchmesser von 125 um vom unteren Bereich des Ofens 162 gezogen und ein Kollabierungsverfahren fortgesetzt, während Vorformstab 158 und Glasröhre 156 durch Erhitzen der Glasröhre 150 in der Heißzone des Ofens 152 und Anlegen eines Unterdrucks mittels Vakuumpumpe 152 abgedichtet werden. Zuführmodul 150 führt Vorformstab 158 und Glasröhre 156, während sie noch nicht abgedichtet sind, nach unten zum Ofen 162, solange wie die optische Faser 160 gezogen wird.
Ein Außendurchmessermessinstrument 164 misst einen Durchmesser der optischen Faser 160, um festzustellen, ob der Durchmesser einem vorbestimmten Wert, wie allgemein 125 um entspricht, und übermittelt einem Durchmessersteuergerät (nicht dargestellt) die Messwerte. Dann steuert die Durchmessersteuereinrichtung einen Capstan 176 zur Beibehaltung des Durchmessers der optischen Faser 160 mit 125 um, wobei Capstan 176 die Spannung der optischen Faser 160 unter Steuerung des Durchmessersteuergeräts steuert. Zum Schutz der rasch in einer Kühleinrichtung 166 abgekühlten optischen Faser 160 wird die sich nach unten bewegende optische Faser 160 mit Acrylkunststoff oder Silikonkunststoff in einer Beschichtungseinheit 168 beschichtet. Die beschichtete optische Faser 160 wird durch eine ultraviolette Härteeinrichtung 170 ausgehärtet und um eine Spule 174 durch die Ziehkraft des Capstan 174 gewickelt. Damit ist das Ziehverfahren der optischen Faser abgeschlossen.
Wie oben beschrieben, haben das Ummantelungsverfahren der Vorformstange zur Herstellung von optischen Fasern und die entsprechende Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung die folgenden Vorteile.
(1) Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Glasröhre wird vermieden und die Glasröhre kann gleichmäßig und stabil kollabieren durch Übertragung ausreichender Wärme mittels eines Ofens mit breiterer Heizzone als bei einem Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner bekannter Art.
(2) Die Viskositäten von Vorformstab und Glasröhre mit großem Durchmesser an der Zwischenfläche sind einander gleich mit ausreichender Wärmeenergie, wodurch Mikrobiegeverluste erheblich reduziert werden.
(3) Der Vorformstab kann durch Kontaminierungsmittel des Sauerstoff-Wasserstoff- Brenners während eines vorherigen Verfahrens kontaminiert sein, wobei die Oberfläche gegen solche Kontaminierungsmittel durch Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff mit unterschiedlichen niedrigen Flussraten geschützt werden kann, wie entsprechend 100 Liter pro Minute und 200 Liter pro Minute. Dadurch wird eine hochfeste optische Faser hergestellt.
(4) Eine Vorform kann hergestellt werden, die konzentrisch im Querschnitt mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Ofen ist, da die Oberfläche der Glasröhre mit großem Durchmesser durch den Ofen erhitzt wird und durch den Druck im Sauerstoff-Wasserstoff-Brenner kollabiert.
(5) Die Kollabierrate der Glasröhre kann maximal um das fünffache aufgrund der großen Menge der Gesamtwärmezufuhr im Gegensatz zum Stand der Technik erhöht werden, das Verfahren kann automatisiert werden und die Herstellungszeit der optischen Faser kann erheblich reduziert werden.
(6) Jede Vorformstange kann unabhängig von ihrer Größe ummantelt werden.
(7) Das Kollabierverfahren wird durch eine Vakuumpumpe unterstützt und die Zwischenfläche zwischen Vorformstange und Glasröhre ist spannungsfrei durch Fließen von SiCl&sub4; und O&sub2; und eines glasbildenden Materials POCl&sub3;, Boron oder Freon durch die entsprechende Lücke, wobei ein Kontaktmaterial abgelagert werden kann.
Eine optische Faser kann anschließend ohne Ummantelungsverfahren gezogen werden, da der Ofen an einer Stelle vorgesehen ist, wo ein Vorformstab in einer Ziehvorrichtung für eine optische Faser installiert ist. Als Ergebnis wird die Herstellungszeit erheblich reduziert und die Produktionsausbeute wird erhöht.

Claims

1. Vorrichtung zur Ummantelung eines Vorformstabes für optische Fasern mit: einer vertikalen Drehbank (10);

zwei Spannfutter (20, 30) von denen jedes an gegenüberliegenden Enden der vertikalen Drehbank (10) angeordnet ist;

einem Schlitten (60) in der vertikalen Drehbank (10) zur Vertikalbewegung zwischen den beiden Enden der Drehbank;

einem Sauerstoff-Wasserstoffbrenner (40), welcher an dem Schlitten (60) angebracht ist;

einem an dem Schlitten angebrachten Ofen (50);

einer an einem Ende der vertikalen Drehbank (10) angeordneten Vakuumpumpe (114);

einer Kopplungseinrichtung zur Verbindung der Vakuumpumpe (114) mit einem Ende der vertikalen Drehbank (10) und

einer Steuereinrichtung (54) außerhalb der vertikalen Drehbank (10) zur Steuerung der Vertikalbewegung des Schlittens (60), der Strömungsrate des Sauerstoff- Wasserstoffbrenners (40) und der Drehung der Spannfutter (20, 30), wobei der Ofen (50) eine Glasröhre (102) vorheizt oder heizt und wobei die Viskosität dieser Glasröhre durch den Brenner (40) weiter abgesenkt wird, um einen in der Glasröhre (1, 2) eingesetzten Vorformstab (100) zu ummanteln.

2. Vorrichtung zur Ummantelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen-(50) unterhalb des Brenners (40) an dem Schlitten (60) angebracht ist.

3. Vorrichtung zur Ummantelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (50) eine Versorgungsspannung von einer Versorgungsquelle (12) erhält und einen wärmeemittierenden Körper aus Graphit aufweist.

4. Vorrichtung zur Ummantelung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (50) eine Oxydation des Vorformstabes (100) und der Glasröhre (102) unter Verwendung eines inerten Gases verhindert, wobei das inerte Gas Helium (He), Argon (Ar), eine Mischung aus Helium und Argon oder Stickstock (N2) ist.

5. Vorrichtung zur Ummantelung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Wasserstoffbrenner (40) ringförmig ist.

6. Vorrichtung zur Ummantelung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung zwischen der Vakuumpumpe (114) und einem der Spannfutter (20, 30) angeschlossen ist.

7. Verfahren zur Ummantelung eines Vorformstabes (100) für optische Fasern für eine Vorrichtung zur Ummantelung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst

Einklemmen des Vorformstabes (100) in dem oberen Spannfutter (20) und vertikales Ausrichten des Vorformstabes;

Verbinden einer Glasröhre (102) mit einer Trägerröhre (103);

Montieren der Trägerröhre (103) im unteren Spannfutter (30) und vertikales Ausrichten der Glasröhre (102);

koaxiales Einführen des Vorformstabes (100) in die Glasröhre (102) durch Absenken des oberen Spannfutters (20);

Vorheizen der Glasröhre (102) unter Verwendung des Ofens (50) und Heizen der vorgeheizten Glasröhre (102) unter Verwendung des Brenners (40) bis die Glasröhre (102) einen Erweichungspunkt erreicht, und

Kollabieren der Glasröhre (102) auf den Vorformstab (100) durch Evakuieren einer Lücke (108) zwischen dem Vorformstab und der Glasröhre durch Anlegen eines Unterdrucks, wodurch eine Vorform vervollständigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformstab (100) entweder durch äußere oder innere Ablagerung hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasröhre (102) entweder eine synthetische Quartzröhre oder eine natürliche Quartzröhre ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasröhre (102) einen Innendurchmesser von wenigstens 10 mm aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Fremdmaterialien aus der Lücke (108) zwischen dem Vorformstab (100) und der Glasröhre (102) durch Einblasen eines inerten Gases entfernt werden, wobei dieses Einblasen insbesondere während des Heizens mittels des Ofens oder des Brenners erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jegliches Fremdmaterial, das an einer Außenfläche des Vorformstabes (100) möglicherweise haftet, durch von der Glasröhre (102) und dem inerten Gas übertragene Wärme entfernt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jegliches Fremdmaterial, das an der Innenfläche der Glasröhre (102) möglicherweise haftet, durch entweder vom Ofen (50) oder Brenner (40) erzeugte Wärme entfernt und dann durch das inerte Gas abtransportiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas Helium (He) Argon (Ar), eine Mischung aus Helium und Argon oder Stickstoff (N2) ist.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 14, gekennzeichnet durch Ablagern einer Kieselsäureschicht mit einer der Viskosität der Zwischenfläche von Vorformstab und Glasröhre in der Lücke (108) zwischen Vorformstab (100) und Glasröhre (102) entsprechenden Viskosität, wobei die Viskosität des Vorformstabes und der Glasröhre durch Injizieren von SiCl&sub4; und dem glasbildenden Material, welches mit Sauerstoff reagiert, in die Lücke zwischen Vorformstab und Glasröhre.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das glasbildende Material POCl&sub3; mit gegebenenfalls Freon oder oder Freon und Bor ist, wobei das glasbildende Material eine niedrige Viskosität aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass SiCl&sub4; und POCl&sub3; in die Lücke (108) zwischen dem Vorformstab (100) und der Glasröhre (102) injiziert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass SiCl&sub4;, POCl&sub3; und Freon in die Lücke (108) zwischen dem Vorformstab (100) und der Glasröhre (102) injiziert werden.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass SiCl&sub4;, POCl&sub3;, Freon und Bor in die Lücke (108) zwischen dem Vorformstab (100) und der Glasröhre (102) injiziert werden.