NL8020091A

NL8020091A - Werkwijze voor het vervaardigen van optische vezels.

Info

Publication number: NL8020091A
Application number: NL8020091A
Authority: NL
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1979-03-16
Filing date: 1980-03-03
Publication date: 1981-01-30
Also published as: GB2058043A; JPS56500334A; GB2058043B; US4230473A; CA1128756A; WO1980001908A1; DE3036779A1

Description

8 0 2 0 0 9 1 VO 1127

Werkwijze voor het vervaardigen van optische vezels.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van optische vezels.

Typerend voor de vervaardiging van optische vezels is dat daarbij twee afzonderlijke stappen zijn te onderscheiden. Eerst 5 wordt een voorvorm gemaakt. Vervolgens wordt via een volledig af zonderlijk proces de vezel door de voorvorm getrokken. Een dergelijke twee stappen omvattende procedure heeft een aantal beperkingen. Voorvormen van waaruit optische vezels met stapvormig verlopende index of gradueel verlopende index worden getrokken, kunnen b.v.

10 worden vervaardigd volgens elke willekeurige van een diversiteit van methodes. Een van dergelijke methodes is het zogenaamde gemodificeerde chemische dampneerslag (GCDN)-proces, waarbij een aantal lagen van geschikt gedoteerde silicaatglassoorten worden neergeslagen op het inwendige van een buis van gesmolten siliciumdioxyde.

15 De glasachtige lagen worden neergeslagen door in de buis een stro ming te introduceren van een dampmengsel met een glasvormende voorloper en een oxyderend medium. Een zich voortbewegende en zich buiten de buis bevindende warmtebron vormt een zich voortbewegende warmtezone die de tweevoudige functie verzorgt waarbij een kern 20 vormend gebied voor homogene reactie ter vorming van deeltjesmate- rie en een consolidatiegebied voor eerder gevormde deeltjesmaterie worden gevormd. Nadat het vereiste aantal lagen (d.i. typerend is een grootte van ongeveer 50} is neergeslagen, wordt de buis volgens een stootfunctie samengedrukt tot een staaf van vast materiaal die 25 de voorvorm vormt van waaruit een vezel kan worden getrokken.

Voor een meer gedetailleerde behandeling van het GCDN-proces wordt verwezen naar qen artikel van J.B.MacChesney, P.B.O'Connor en H.M.Presby getiteld "A New Technique for the Preparation of Low-Loss and Graded-Index Optical Fibers" gepubliceerd in Proceedings 30 of the IEEE, september 1974, biz.1280 - 2181. Tevens wordt verwezen 8020091 - 2 - naar "Preparation and Structural Characteristics of High Silica, Graded Index Fibers” van P.B.O'Connor, J.B.MachChesney, H.M.Presby en L.G.Cohen, gepubliceerd in The American Ceramic Society Bulletin, Vol. 55, No.5, mei 1976, biz.513 - 519.

5 Volgens een alternatieve methode zoals beschreven in het

Amerikaanse octrooischrift 3.966.446, wordt de voorvorm vervaardigd door het axiaal neerslaan van deeltjes van glasvoorlopermateriaal, de zogenaamde damp-fase axiale neerslag (DAN]-methode. Ook wordt verwezen naar een artikel getiteld "Low-OH-Content Optical Fibre 10 Fabricated By Vapour-Phase Axial-Deposition Method”, gepubliceerd in de uitgave van 17 augustus 1978 van Electronics Letters, Vol.14, biz.534 - 535, No.17.

Zoals uit inspectie blijkt is het voorvormvervaardigingspro-ces langdurig en kostbaar. Alhoewel de uiteindelijke kosten van in 15 massa geproduceerde optische vezels momenteel slechts kunnen worden geschat, kan met een tamelijk goede benadering worden aangenomen dat de kosten van de voorvorm ongeveer 50 - 70% bedragen van de totale kosten van de vezel.

Bovendien is de voorvormfabricage een veeleisend proces, aan-20 gezien de uiteindelijke eigenschappen van de vezel zijn vastgelegd in de voorvorm. Alhoewel verschillende technieken zijn ontwikkeld om een vezel wanneer deze vanuit de voorvorm wordt getrokken te schouwen, zijn deze schouwtechnieken beperkt gebleven tot het controleren van de maat en vorm van de vezel zonder controle van het 25 indexprofiel daarvan welk profiel zoals in het voorafgaande werd opgemerkt, is bepaald door de voorvorm. In verband hiermede is gezocht naar middelen dienende om de voorvorm voordat de vezel wordt getrokken te inspecteren, waardoor de vezelfabrikant tenminste de mogelijkheid heeft om die voorvormen die duidelijk niet aan de ge-30 stelde vereisten voldoen, af te keuren. Alhoewel zulks in zoverre een besparing betekent omdat de kosten die zijn verbonden aan het trekken, bekleden en beproeven van vezels die zijn getrokken vanuit defecte voorvormen, worden geëlimineerd, zal het duidelijk zijn dat een nog grotere besparing zou kunnen worden verkregen indien de 35 voorvormfabricagestap op zichzelf genomen in sterke mate zou zijn 8020091 - 3 - vereenvoudigd en beheersbaar zou zijn.

Volgens de onderhavige uitvinding worden de afzonderlijke stappen waarbij eerst een voorvorm wordt gevormd en vervolgens de vezel wordt getrokken, gecombineerd tot een in beginsel enkelvoudi-5 ge, continue operatie, waarbij onder toepassing van de zogenaamde damp-fase axiale-neerslag (DAN)-methode een "stompvormige" voorvorm wordt gemaakt, terwijl gelijktijdig de vezel vanuit dat uiteinde van de stomp dat zich tegenover het uiteinde bevindt waarop de deeltjes glasmateriaal zijn neergeslagen, wordt getrokken.

10 Door de onderhavige uitvinding wordt een fabricagemethode beschikbaar gesteld die in economisch opzicht duidelijke voordelen biedt, in die zin, dat de kosten die zijn verbonden aan de operatie waarbij een standaardvoorvorm wordt gemaakt, sterk zijn verminderd.

Het is een verder voordeel van de uitvinding dat dit het eni-15 ge proces is waarbij de fabrikant de mogelijkheid heeft om het ve- zelindexprofiel tijdens de fabricage te schouwen en te controleren. Aangezien de stomp wordt gevormd wanneer de vezel wordt getrokken, kan het vezelprofiel worden geschouwd en kan de samenstelling van het voorlopermateriaal dienovereenkomstig worden gewijzigd. Aldus 20 wordt door de uitvinding een middel beschikbaar gesteld waardoor is verzekerd, dat de uiteindelijke vezel de gewenste transmissie-eigen-schappen zal hebben.

Korte omschrijving van de tekening:

Fig.l toont een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding; 25 Fig.2 toont een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; en

Fig.3 toont een inrichting voor het schouwen en controleren van het vezelprofiel.

Blijkens de tekeningen is fig.l illustratief voor de hoofd-30 kenmerken van de onderhavige uitvinding. Bij deze illustratieve uit voeringsvorm is een schoorsteenvormig draagorgaan 10 opgesteld onder een tweetal hydrolysebranders 11 en 12. Een oven 13 omgeeft het draagorgaan en doet dienst om het door de branders neergeslagen roet te consolideren, alsook om het gevormde glas in een gesmolten toe-35 stand te houden zodat dit tot een vezel kan worden getrokken.

8020091 - 4 -

Bij de onderhavige uitvinding wordt gebruiR gemaakt van het "damp-fase axiaal-neerslag” CDAN3-proces zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.966.446. In het kort samengevat worden bij dit proces door elke brander glasvormige voorlopermaterialen 5 verbrand zodat een glasroet 14, 15 wordt gevormd dat wordt neerge slagen op het draagorgaan 10. Bij het aanlopen van het proces wordt de zich bij het smalle uiteinde van het draagorgaan 10 bevindende opening 16 bekleed, waardoor de deeltjes glasvoorlopermateriaal zich opeen kunnen hopen en zich kunnen consolideren ter vorming van een 10 kleine "stompvormige" voorvorm 18. De maatvoering van deze stomp is niet kritisch. Al hetgeen is vereist is een volume waarmee gemakkelijk kan worden gewerkt. Wanneer een dergelijke opbouw is voltooid wordt de (niet weergegeven) deksel van de opening weggenomen en met het vezeltrekproces wordt een begin gemaakt. Hierna wordt 15 een stabiele toestand bereikt waarbij bij het ene uiteinde van de stompvormige voorvorm roet wordt neergeslagen en geconsolideerd, terwijl gelijktijdig de vezel vanuit het andere uiteinde van de stomp wordt getrokken.

In fig.l zijn de branders weergegeven in een opstelling voor 20 het vormen van een vezel met een gradueel verlopende index. Type rend is dat de materialen die worden toegevoerd aan de axiaal uitgelijnde brander 11 zouden omvatten zuurstof (Oj), siliciumtetra-chloride (SiCl^) en een indexvergrotend materiaal, zoals b.v. germa-niumtetrachloride (GeCl^). Binnen de brander 11 vormen deze materia-25 len SiC^Ge-roet dat door de vlam naar het centrum van de stomp wordt geblazen. De tweede brander 12 die buiten de as is geplaatst, zou typerend omvatten zuurstof en SiCl^, waardoor Si02-roet wordt gevormd. Dit wordt geblazen naar de omtrek van de stomp. Als gevolg van de diffusie van de materialen met hogere en lagere index zal 30 de index over de stomp gradueel verlopen, welk gradueel verloop in de vezel bewaard blijft wanneer deze wordt getrokken. Teneinde binnen de stomp een symmetrische materiaalverdeling te verkrijgen is het mogelijk om het draagorgaan en de stroming van deeltjes materi- elkaar aal of materialen met betrekking tot elk/té 'noterenwanneer de ve-35 zei wordt getrokken. In de weergegeven illustratieve, twee branders 8020091 - 5 - omvattende uitvoeringsvorm biedt het voordeel om het draagorgaan 10 te draaien om een as z-z die is gedefinieerd door de symmetrieas van het orgaan 10, ter verKrijging van een axiaal symmetrische ma-teriaalverdeling. De z-z-as is de as waarlangs de brander 11 is ge-5 plaatst en deze as bepaalt tevens de richting volgens welke de ve zel wordt getrokken. Alhoewel deze eerste illustratieve uitvoeringsvorm zoals is weergegeven, twee branders 11 en 12 gebruikt, is de .lering van de onderhavige uitvinding ook toepasbaar op damp axiale neerslag-inrichtingen waarbij gebruik is gemaakt van een enkele bran-10 der.

Fig.2 toont een alternatieve inrichting waarbij de deeltjes-materie wordt afgeleid vanaf een spuitbron 20, waarvan een aantal concentrische cilinders deel uitmaakt. Bij wijze van illustratie zijn twee cilinders 21 en 22 weergegeven. Bij deze uitvoeringsvorm 15 worden de een hogere index vormende materialen toegevoerd aan de binnencilinder 21 waarvan de as is gelegen langs de symmetrie-as van het draagorgaan 30. De buitencilinder 22 is een ringvormig orgaan dat de binnencilinder 21 omgeeft en met betrekking tot deze binnencilinder coaxiaal is uitgelijnd. Een lagere index vormende 20 materialen worden geïntroduceerd in dit gedeelte van de bron 20.

Aan deze laatste wordt warmte toegevoerd door middel van b.v. een ringvormige brander 25. Bij deze inrichting worden de stromingen 23 en 24 van deeltjesmateriaal in een betrekkelijk symmetrische configuratie toegevoerd als gevolg waarvan het niet nodig behoeft te 25 zijn om het draagorgaan 30 in rotatie te brengen. Het zou echter voordeel bieden zulks wel te doen teneinde er zeker van te zijn tü in sterke mate een axiale symmetrie bestaat.

Zoals in het voorafgaande is aangegeven is het een voordeel van de onderhavige uitvinding dat het indexprofiel van de vezel ge-30 durende het fabricageproces kan worden geschouwd en gecontroleerd.

Een schouwtechniek kan omvatten het meten van de concentraties van de index-wijzigende doteermiddelen, en wel door het "belichten van een gedeelte van de vezel met ultraviolette straling, en vervolgens het maten van de verdeling van stralingsenergie zoals afgeleid van de 35 vezel en langs een richting transversaal met betrekking tot de Ion- 8020091 - 6 - gitudinale as van de vezel. Uit deze meting Kunnen de concentraties van de index-wijzigende doteermiddelen en het indexprofiel worden bepaald. Een andere schouwtechniek Kan omvatten het meten van de dichtheidsverdeling van het licht dat door de vezel is gefocusseerd.

5 De thans te beschouwen fig.3 toont in bloKschemavorm een in richting waardoor deze indexprofielschouwtechnieken Kunnen worden toegepast op de onderhavige uitvinding. Evenals bij de uitvoering volgens fig.2 het geval is, worden de glasvoorlopermaterialen waarvoor typerend is dat deze SiCl^, 02 en geschikt gekozen index-wijzi-10 gende doteermiddelen bevatten, vanaf geschikte bronnen 40, 41 en via stroomkleppen 43, 44 en 45 toegevoerd aan een spuitorgaan 42.

Bij wijze van illustratie is een drie kamers omvattend spuitorgaan weergegeven waarmee de verdeling van doteermiddel beter kan worden geregeld. Meer in het bijzonder wordt hierbij een eerste mengsel 15 van een of meer index wijzigende doteermiddelen, SiCl^ en 02, via de stroomklep 44 toegelaten tot de binnencilinder van het spuitorgaan 42. Een tweede mengsel van doteermiddelen SiCl^ en 02, wordt via de stroomklep 45 toegelaten tot de naastliggende ringvormige buitencilinder van het spuitorgaan 42. Een derde mengsel van SiCl^ en 02 · 20 wordt via de stroomklep 43 toegelaten tot de meest buitenliggende cilinder.

Stromingen 47, 46 en 49 van voorlopermaterialen met verschillende brekingsindices, worden geconsolideerd in het draagorgaan 58 van waaruit een vezel 50 wordt getrokken.

25 Teneinde het indexprofiel van de vezel, wanneer deze wordt getrokken, te schouwen, wordt de vezel langs een klein gedeelte van zijn lengte verlicht door middel van een geschikt gekozen bron 51. Het biedt voordeel om het verlichte gedeelte onder te dompelen in een index-aanpassend materiaal dat zich bevindt in een vat 52 waar 30 doorheen de vezel wordt geleid. Een detector 53 die gevoelig is voor straling die vanuit de vezel uitgaat is op een geschikt gekozen plaats in de nabijheid van de vezel opgesteld. De hierbij verkregen meetresultaten worden overgedragen naar een computereenheid 54 waardoor benodigde berekeningen worden gemaakt en het gemeten indexpro-35 fiel wordt vergeleken met een gewenst indexprofiel dat daarin is op- 8020081 - 7 - geslagen. Indien het verschil daartussen binnen aanvaardbare grenzen is gelegen wordt geen actie vereist. Indien echter het gemeten indexprofiel buiten deze grenzen komt, worden corrigerende stappen ondernomen. De aard van deze stappen'is afhankelijk van de gekozen 5 strategie. Typerend voor een vezel met gradueel verlopende index is b.v. dat de indexprofiel is te omschrijven door een exponentiële functie die is gegeven door: ftj.f1-2(¾¾ _71/2 voor r < a 1G f Cr) =j = vo°r r> a waarin a de straal van de kern; oCde exponent van de exponentiële functie; en 4 - t?!2 -?22ϊ/2^2 15

Het is bekend dat de parameters o(, £ en a bepalend zijn voor de impulsresponsie van een multimodusvezel. In het bijzonder geldt dat de afhankelijkheid van de effectieve (rms)-pulsbreedte van oc is gekarakteriseerd door een extreem scherp minimum bij een 20 οζ-waarde in de buurt van 2. Geringe afwijkingen van deze optimale waarde hebben tot gevolg dat de effectieve (rms) pulsbreedte in sterke mate zal toenemen. Een bepaalde strategie zou derhalve kunnen zijn om de stroming van materialen zodanig te regelen dat steeds de optimale waarde van οζ wordt verkregen.

25 Een alternatieve strategie zou kunnen zijn het proces zoda nig te regelen dat de gemiddelde waarde van de voor de exponentiële functie geldende coëfficiënt oc over een gegeven lengte van de vezel een gewenste optimale waarde aanneemt. Indien de meetresultaten aangeven dat «L langs de gegeven lengte van de vezel kleiner is dan 30 de optimale waarde, worden de stromingssnelheden derhalve zodanig gewijzigd, dat langs een volgende sectie van de vezel de oC -waarde groter is.

Ongeacht welke strategie wordt toegepast geldt dat de vezel-meetresultaten worden vergeleken met een stel van referentiewaar-35 den die het voorkeursindexprofiel bepalen. Uit een dergelijke verge- 802 0 0 9 f - 8 - lij king ontstaat een stel van foutsignalen die op hun beurt in de besturingseenheid 55 worden gebruikt om de via de desbetreffende stroomkleppen vloeiende stroming te regelen.

Opgemerkt wordt dat de profielmetingen en correcties continu 5 worden uitgevoerd wanneer de vezel wordt getrokken. De totale tijd die nodig is om een meting te vertalen in een terugkoppelfoutsig-naal hangt af van de snelheid waarmee de computereenheid 54 werkt. Voor computers met een bescheiden kostprijs kan dit een kwestie zijn van 1-3 minuten. Zulks komt weer overeen met een correctie 10 , voor elke 20 - 60 m van de vezel, in afhankelijkheid van de snel heid waarmee de vezel wordt getrokken.

Voorbeeld

Een vezel met een uitwendige diameter van Θ8 ym kan op de in het voorafgaande omschreven wijze worden getrokken met een snel-15 heid van 1 km/uur met een glasdeeltjesneerslagsnelheid van 0,24 g per minuut. Dit laatste wordt bereikt met een bron met een spuit-orgaandiameter van 1 - 2 cm en van de soort, zoals weergegeven in fig.2. Met deze trek- en neerslagsnelheden wordt een stabiele toestand verkregen waarbij de getrokken vezel in hoofdzaak gelijk is 20 aan het glas dat is neergeslagen.

80200§1

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een optische vezel omvattende de stappen van: het vormen (11) van voorlopermateriaaldeeltjes die kunnen worden geconsolideerd tot glas (16); en het richten van een stroming (14) 5 van dit deeltjesmateriaal op een draagorgaan (10) waar dit materi aal door verhitting (13) wordt geconsolideerd teneinde een stompvormige voorvorm (1B) te vormen, met het kenmerk, dat de vezel (17) continu vanaf het ene uiteinde van de stomp (18) wordt getrokken zo lang als het neerslaan van het deeltjesmateriaal op het tegenover 10 liggende uiteinde van de stomp voortgaat.

2. Werkwijze voor het vervaardigen van een optische vezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de werkwijze verder omvat de stap waarbij tenminste een tweede stroming (15) van deeltjesvoor-lopermateriaal wordt gevormd en gericht (12) op de stomp (18).

3. Werkwijze voor het vervaardigen van een optische vezel vol gens conclusie 2, met het kenmerk, dat de samenstelling van het voorlopermateriaal in de stromingen verschillend is.

4. Werkwijze voor het vervaardigen van een optische vezel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de werkwijze verder om- 20 vat de stap waarbij het draagorgaan (10) en de stroming van deel tjesmateriaal (14; 15) met betrekking tot elkaar worden gedraaid wanneer de vezel wordt getrokken.

5. Werkwijze voor het vervaardigen van een optische vezel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de werkwijze omvat de stap- 25 pen van het schouwen (51, 52, 53, 54) van het indexprofiel van de vezel (50) wanneer deze wordt getrokken; en het in responsie op de schouwstap regelen (55, 43, 44, 45) van de stroming van deeltjesmateriaal. 8020091