NO155930B - Fremgangsmaate til fremstilling av optiske fibre og anordning til utoevelse av fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til frem-

stilling av optiske fibre som er fysiske bærere for optiske telekommunikasjonssystemer og dessuten angår oppfinnelsen et apparat til utførelse av fremgangsmåten.

Optiske overføringer over store avstander er som kjent be-

grenset av de optiske egenskaper for ^e materialer som be-

nyttes til fremstilling av de fysiske bærere, særlig demp-

ning og dispersjon vil bestemme bølgelengdeområdet som kan anvendes til overføringen.

Det råmaterialet som idag benyttes til fremstilling av optiske

fibre er silisiumdioksyd, Si02/ som er dopet på forskjellig måte alt etter ønsket brytningsindeks og dispersjonsegenskaper.

De gir en minimum dispersjonsverdi ved en bølgelengde på

1,27 ym, men med et egnet dopingsmiddel tilveiebringes kom-

pensasjoner til å tilnærme det til den minimale dempnings-

verdi og for å oppnå på denne måte et optimalt overførings-

vindu.

Minimal dempning avhenger også av Rayleigh-spredningstap og

uttrykkes i funksjon av bølgelengden X og av materialegen-

skapene ved hjelp av følgende forhold:

hvor aQ er spredningskoeffisienten. Dens verdi er:

hvor

p er gjennomsnitlig fotoelastisitetskonstant,

K er Boltzmann-konstanten,

TG er glassoverføringstemperaturen,

3T er isotermkompressibilitet.

Størrelsen n, p, TG og 3T er spesielle konstanter ved materi-

alet.

Dempning på grunn av spredning har en teoretisk minimumsverdi

på ca. 0,2 dB/km ved bølgelengde på 1,6 ym for silisiumdioksyd,

og det er ikke mulig å gå ned, da ved lengre bølgelengder dempningshalen 0La^ s for strekkvibrasjon ved gitterbindingen fsi-04] 4~ griper inn.

Denne sistnevnte oppfører seg i henhold til uttrykket: hvor A og y er konstanter og er den strekkende fundamentale vibrasjonsfrekvens for bindingen Si-O^ og avhenger av kraftkonstanten ff) og av den reduserte masse V~ S^ Q for sili-siumoksygenbindingen, gitt ved:

hvor <m>g^ og mQ er silisium- og oksygenatommasser respektivt.

Forholdet som uttrykker verdien for er det følgende:

Hvis silisiumoksyd blir erstattet av materiale med mindre v-^, d.v.s. med en lavere kraftkonstant f og/eller høyere redusert masse u, vil minimumsdempningsområdet kunne forflyttes mot lengere bølgelengder hvor spredningstap redu-seres .

Ved silisiumoksyd er parameteren som gjør v^-verdien rela-tivt høy den reduserte masse til gruppen Si-O, som kondi-sjoneres av den lille verdi for oksygenmassen. For derfor å oppnå det ønskede resultat, må det finnes alternative materialer til oksydene. Disse krav er delvis tilfredsstilt av halogenider. I realiteten har forbindelser av F, Cl, Br, I større reduserte masser.

Ved området optiske fibre er allerede et stort antall materialer blitt foreslått, så som fluorider, men alvor-lige problemer har fremkommet med hensyn til deres bruk. Spesielt: høy reaktivitet med gasser som foreligger i atmosfæren, giftighet,

lav stabilitet med lett devitrifisering av det fremstilte glass,

mangel på egnet teknologi for fiberfremstilling,lav minimumsverdi for optisk dispersjon, med derav følgende vanske-lig optimalisering av minimum dempning og dispersjons-betingelser.

De ovennevnte ulemper overvinnes ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen til fremstilling av optiske fibre, idet denne muliggjør bruk av egnede materialer som tillater overføring av strålinger med bølgelengde lenger enn 5 pm og gir et minimum av dempning mindre enn 10 dB/km og er særlig beskyttet mot naturpåvirkninger.

Ved foreliggende oppfinnelse er det oppnådd en termisk difusjon til rensing av råmaterialet og dette betyr igjen at urenheter forflyttes oppad under fremstillingsprosessen og samler seg i øvre soner av diglene som benyttes under fremstillingen, der glassmassene som ikke benyttes til fiberproduksjonen kan tas ut og kasseres eller anvendes på andre områder der urenhetene ikke er kritiske.

Fremgangsmåten til fremstilling av optiske fibre der materialene som danner fiberkjernen anbringes i en første digel og materialene som danner fiberkledningen anbringes i en koaksialt rundt den første digel anordnet ytterligere digel, er hovedsaklig kjennetegnet ved at materialene som på forhånd er renset og blandet til en homogen masse og som fremdeles ikke er glassifisert, glassifiseres mens allerede glassifisert materiale renses ytterligere ved termisk difusjon og ved at fibertrekningen deretter påbegynnes ved at temperaturen i området ved utløpet og ved de koniske deler av diglene heves til mykningstemperaturen for råmaterialene og for materialet i den annen digel, idet forbruket av det materialet som danner den trukne fiber etterfylles ved forskyvning i den første digel, idet frem-føringen av råmaterialet som danner fiberkledningen og råmaterialene som danner kjernen i fibertrekningens retning foregår med hastigheter som er regulert til å gi det ønskede forhold mellom kjernediameter og diameter på fiberkledningen, idet digelmaterialene i den annen digel danner et belegg på fibere.

Oppfinnelsen angår videre en anordning til utførelse av

den fremgangsmåte som er omhandlet ovenfor og den omfatter en første digel som skal inneholde råmaterialet for fiberkjernen, hvilken digel består av et materiale med en mykningstemperatur som er høyere enn for råmaterialene i både fiberkjerne og fiberkledning og ved bunnen har en konvergerende form som ender i en dyse, samt omfatter en ytterligere digel som omgir den førstnevnte og ved bunnen har en konvergerende form og en mekanisk anordning som er innrettet til å mate den første digel og til å sette materialet i denne i bevegelse, med varmeanordninger for oppvarming av materialene i diglene og anordningen er kjennetegnet ved at de konvergerende former på diglene har en profil som er skapt av trekningen, idet den annen digel er laget av glass med lavt smeltepunkt, for å ha en mykningstemperatur som tilsvarer mykningstemperaturen for råmaterialene og er forbundet med en mekanisk anordning for forskyvning av digelen sammen med materialene som danner fiberkledningen og som innføres mellom de to digler, idet varmeanordninger er anbragt koaksialt rundt diglene bestående av en første ovn for glassifisering av materialene som inneholdes i diglene og en andre ovn for trekningen.

Både fremgangsmåten og anordningen vil bli omhandlet mer

i detalj i den følgende beskrivelse av en foretrukket ut-

førelsesform som bare er å betrakte som eksempel, idet oppfinnelsen ikke på noen måte er begrenset til dette,

under henvisning til tegningene som viser en anordning til fremstilling av de optiske fibre.

For å oppnå en vesentlig forandring av den fundamentale vibrasjonsfrekvens med hensyn til den for silisiumoksyd benyttes klorider i råmaterialfremstillingen. Ved siden av å unngå de ovenfor nevnte fluoridulemper, kan en ytterligere reduksjon av dempningen bli oppnådd takket være klormassen som er større enn den for fluor. Videre gir klorider lavere reaktivitet med naturlige stoffer og har godtagbare giftighetsnivåer.

Den oppnådde glasstabilitet kan optimaliseres ved å velge såvel antall som prosentandeler av de enkelte komponenter.

Da lange bølgelengder benyttes, kan komponentantallet bli øket uten økning i for stor grad av spredningstap, og det kan således oppnås multikomponentkloridbaserte glass. Ved siden av å bruke spektralområder opp til og over 5 ym, er elementer med stor atommasse, såsom Hf, Zr, Th, Ba, La, Pb, Bi og generelt elementer i sjette og syvende periode forbundet med klor. Klorider av Hf, Zr, Th kan bli betraktet nødvendig for oppbygging av glassgrunnmassen sammen eller separate, mens klorider av andre elementer blir tilsatt for å favorisere vitrifiseringen og å forflytte dispersjonsmini-mum mot lengre bølgelengdeområder. Klorider av lettere elementer, såsom AlCl-j, Zn CI2 etc. kan benyttes med samme formål.

En typisk kombinasjon av forbindelser som oppnås fra de ovennevnte elementer er følgende:

Med blandinger av denne type vil glassovergangstemperaturen Tq være innenfor området 250 - 500°C. Dette faktum redu-serer Rayleigh-spredningskoeffisienten aQ til nær en tredjedel.

De typiske silisiumoksydurenheter, så som overgangsmetaller og hydroksylgrupper påvirker ikke dempningen for disse glasstyper, da det relative absorbsjonsbånd faller før 3 \ im bølgelengde.

Disse forbindelser er ikke anvendbare til fremstilling av fiber for former i samsvar med vanlig CVD-teknikk på grunn av den høye koketemperatur for grunnreagensene.

Figuren viser en anordning for fremstilling av optiske fibre av multikomponentglass basert på halogenider, og mer spesielt på klorider.

Anordningen omfatter to ovner 1 og 2 og en kvartsdigel 3 som ender i en dyse som er oppnådd ved trekking. På yttersiden av digelen 3 er det en digel 4, som består av et lavtsmeltende oksydbasert glass som danner en konus koaksialt med den forutgående dyse. Denne konus er direkte oppnådd under fibertrekkingen. Henvisningstallet 5 viser en innretning for mating av glass, som danner fiberkjernen på innsiden av digelen 3. Skrueinnretninger 6 og 7 frem-fører glasstaven mens de optiske fibre blir trukket.

Henvisningstallet 9 angir en analog innretning som mater såvel det glass som danner den ytre fiberkledning og digelen 4 på innsiden av ovnen. To skrueinnretninger 10 og 11 fremfører materialet og digelen 4.

Råmaterialer i pulverform, d.v.s. kloridene av de ovenfor nevnte elementer, blir først renset ved sublimasjon i inert atmosfære og ved egnet variasjon av trykk og temperatur.

De blir så blandet for å oppnå den ønskede kombinasjon med konstante prosentandeler ved hvert punkt og blir innført i et kvartsrør. De blir så vitrifisert i ovnen, og den re-sulterende stav 8 blir renset ved termisk diffusjon. Materialene som danner kledningen vil på lignende måte som de forutgående, bortsett fra prosentuale variasjoner av et antall komponenter for å oppnå en forskjell i brytningsindek-ser, bli enkeltvis renset som i det forutgående tilfelle og blandet, og så blir de plassert mellom diglene 3 og 4, vitrifisert og renset ved termisk diffusjon.

Materialene som danner kjernen og kledningen kan bli vitrifisert, som et alternativ, direkte i diglene ved bruk av samme ovn 1, som utstrekker seg over hele digellengden. Ovnen 2, plassert i samsvar med konusen, danner den temperatur som er nødvendig for fibertrekking.

Hvis man velger lavmyknende oksydbaserte glass, må de termiske ekspansjonskoeffisienter, glassovergangstemperaturen og tettheten for de kloridbaserte glass som fibrene dannes av, måtte tas med i beregningen. Digelen 4 blir i realiteten trukket sammen med fibrene, og den tjener således ikke bare som en digel, men også som et beskyttende belegg, og det oppnås således isolasjon fra de ytre omgivelser for materialene som danner fiberen og en bedre stabilitet i tid. Forutsatt av de foreliggende krav blir tilfredsstilt, vil beleggingen ikke utøve noen termisk eller mekanisk belast-ning på fiberen.

Den termiske ekspansjonskoeffisient for glassovergangstemperaturen for multikomponentkloridbaserte glass kan vari-ere respektivt mellom 50 og 200 x 10-70C_<1> og mellom 200 og 600°C, mens deres densitet kan ligge i området fra 3-8 g/cm<3>. Ved å lage digelen 4 med et glass med en densitetsverdi svarende til den for klorider, kan material-konsentrasjon med derav følgende optisk fiberforurensning bli unngått. Blant slike som finnes på markedet idag er det mulig f.eks. på fordelaktig måte å bruke f.eks. "Schott"-glass av type "SF52" med en tetthet på 4 • 10 g/cm<3>, en ekspansjonskoeffisient på 105 x 10~7^C-1 og en glassovergangstemperatur på 406°C eller type "SF59" med verdier på 6,26 g/cm<3>, 103 ' 10~70C-<1> og 362°C for tetthet, ekspansjonskoeffisient og temperatur.

Etter råmaterialevitrifisering blir også ovnen 2 aktivert for å innta mykningstemperatur. Så dannes konusen i digelen 4 ved trekking med egnet hastighet for således å oppnå den ønskede ytre fiberdiameter, f.eks. 125 ym, i samsvar med nuværende internasjonal standard. Kjerne-ledningsforholdet avhenger såvel av dysestørrelse for digelen 3 som av matehastigheten for digelen 4. Matehastigheten for digelen 4 må bestemmes for å opprettholde ønsket kjerne-ledningsforhold innenfor det variable intervall som tillates av dysestørrelsen for digelen 3.

Innretningene 5 og 9", som er utformet for tilførsel av glass for kjernen og kledningen respektivt, må gi reduksjon-er som tillater en overføringshastighet i intervallet som ligger mellom 1 og 50 cm/time.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av optiske fibre, der materialene som danner fiberkjernen anbringes i en første digel (3) og materialene som danner fiberkledningen anbringes i en koaksialt rundt den første digel anordnet digel (4), karakterisert ved at materialene som på forhånd er renset og blandet tii en homogen masse og som fremdeles ikke er glassifisert, glassifiseres, mens allerede glassifisert materiale renses ytterligere ved termisk diffusjon og ved at fibertrekningen deretter påbegynnes ved at temperaturen i området ved utløpet og ved de koniske deler av diglene (3, 4) heves til mykningstemperaturen for råmaterialene og for materialet i den annen digel, idet forbruket av det materialet som danner den trukne fiber, etterfylles ved forskyvning i den første digel, idet fremføringen av råmaterialet som danner fiberkledningen og råmaterialene som danner kjernen i fibertrekningens retning foregår med hastigheter som er regulert til å gi det ønskede forhold mellom kjernediameter og diameter på fiberkledningen, idet digelmaterialene i den annen digel (4) danner et belegg på fiberet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at materialene som danner kjernen innføres i den første digel (3) som et pulver og deretter glassifiseres.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at materialene som danner kjernen, innføres i den nevnte første digel (3), allerede glassifisert og i form av en stav.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at det som råmateriale i fiberkjernen og kledningen anvendes halogenider.

5. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-4, karakterisert ved at det som råmateriale i fiberkjernen og kledningen anvendes klorider.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 5, karakterisert ved at det som råmateriale for fiberkjernen og kledningen anvendes klorider av grunnstoffer med høy atommasse og med en mindre mengde klorider av grunnstoffer med lavere atommasse til oppbygning av glass-matrisen for å øke matrisens stabilitet og for å få optiske fibre med en større båndbredde.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at det som grunnstoffer med høy atommasse anvendes Hf, Zr, Th, Ba, La, Pb og Bi.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 6 eller 7, karakterisert ved at det som grunnstoffer med mindre atommasse anvendes Al og Zn.

9. Anordning til utførelse av den fremgangsmåte som er angitt i ett eller flere av de foregående krav til trek-ning av optiske fibre med en fiberkjerne og en fiberkledning, omfattende en første digel (3) som skal inneholde råmaterialene for fiberkjernen, hvilken digel består av et materiale med en mykningstemperatur som er høyere enn for råmaterialene i både fiberkjerne og fiberkledning og ved bunnen har en konvergerende form som ender i en dyse, samt omfatter en ytterligere digel (4) som omgir den førstnevnte og ved bunnen har en konvergerende form, og omfatter en mekanisk anordning (5) som er innrettet til å mate den første digel og til å sette materialet i denne i bevegelse, med varmeanordninger (1, 2) for oppvarming av materialene i digelene, karakterisert ved at de konvergerende former på digelene (3, 4) har en profil som er skapt av trekningen, idet den annen digel er laget av glass med lavt smeltepunkt, for å ha en mykningstemperatur som tilsvarer mykningstemperaturen for råmaterialene og er forbundet med en mekanisk anordning (9) for forskyvning av digelen sammen med materialene som danner fiberkledningen, og som innføres mellom de to digler (3, 4), idet varmeanordninger er anbragt koaksialt rundt diglene (3, 4), bestående av en første ovn (1) for glassifisering av materialene som inneholdes i diglene og en andre ovn (2) for trekningen.

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at den mekaniske anordning (5, 9) omfatter en skruemekanisme (6, 7, 10, 11) som er beregnet for for-skyvningshastigheter av en slik verdi at materialmengden som når frem til trekkeområdet, etterfyller det materialet som er forbrukt ved trekningen av den optiske fiber.

11. Anordning som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert ved at den annen digel (4) er laget av glass med glassovergangstemperatur, spesifikk vekt og varmeutvidelseskoeffisient, svarende til de tilsvarende verdier for det materialet kjernen og kledningen består av.