NO811851L - Fremgangsmaate og apparat for fremstilling av en optisk boelgeleder forloeper - Google Patents

Abstract

En optisk bølgeleder preform (26). fremstilles kontinuerlig ved at startelementet ( 10 )for preformen fjernes kontinuerlig. Preformen dannes ved å påføre startelementet et belegg (16 )av et pulverformig materiale(20 ) • Det pulverformige belegg forflyttes eller avtrekkes etter hvert i lengderetningen samtidig med at ytterligere pulverformig materiale kontinuerlig påføres det dannede belegg slik at det dannes et preformlegeme under forflytningen i lengderetningen. Ved at preformlegemet forflyttes i lengderetningen samtidig med at det pulverformige materialet påføres enden av legemet vil startelementet kontinuerlig fjernes fra preformlegemet og etterlate en longitudinal åpning(jO)i preformlegemet. Det pulverformige materialet kan påføres ved hjelp av en eller flere brennere (.'. 8) =om kan kon-trolleres til å tilveiebringe en forhåndsbestemt ønsket variasjon i sammensetningen over preformens tverrsnitt. Det dannede preformlegeme kan deretter passende oppvarmes, konsolideres og trekkes til en optisk bølgeleder.

Description

Foreliggende oppfinnélse vedrører en i det vesentlig kontinuerlig fremgangsmåte for fremstilling av en artikkel som er egnet for en optisk bølgeleder preform og mere spesielt en fremgangsmåte for forming av en optisk bølgeleder preform under en samtidig fjernelse av starteelementet fra pre-; formlegemet mens dette formes. i

Høykapasitetskommunikasjohssystemer som arbeider ved ca. 10^ Hz er nødvendig for å møte den fremtidige forøkelse i kommu-nikasjonstrafikken. Systemene betegnes som optiske kommuni-15 i kasjonssystemer da 10 Hz ligger inne i frekvensspekteret for lys. Optiske bølgeledere som er det mest lovende medium

i for transmisjon av slike frekvenser består normalt av et optisk filament med en transparant kjerne omgitt av et transparant belegg med én brytningsindeks som er lavere enn den for.kjernen. En meget omfattende og fullstendig diskusjon vedrørende driftsteorier for optiske bølgeledere finnes i US patent nr. 3.157.726 og i publikasjonen "Cylindrical Die-lectric Waveguide Modes" av E. Snitzer, Journal of the Optical Society of America, Vol. 51, nr. 5, s. 491-498, mai 1961. Andre utmerkede informasjonskilder vedrørende optiske bølge-ledere er "Fiber Optics ^ Principles and Applications" av N. S. Kapany, Academic Press, 1967, såvel som "Fundamentals of Optical Fiber Communications" forfattet av Michael K. Barnoski, Academic Press, 1976.

Generelt fremstilles optiske bølgeledere ved dampfaseoksydasjon, enten fra utsiden eller innsiden, slik som vil bli definert nærmere i det etterfølgende.

For den indre dampfaseoksydasjonsprosess anvendes et utgangselement eller spindel i form av et rør og et belegg av et forhåndsbestemt ønsket glass avsettes på den indre del. Den således erholdte struktur oppvarmes og det indre hull faller sammen og trekkes til et langstrakt filament som omfatter

den optiske bølgéleder. Det indre avsatte belegg ved denne fremgangsmåte omfatter kjernen av bølgelederen, mens det rørformede utgangselement omfatter belegget. Ved den ytre

i i dampfaseoksydasjonsprosess anvendes en utgangsstav eller rør'

1 som startelement eller spindel på hvis overflate avsettes

en eller flere lag av et egnet materiale. Vanligvis blir j startelementet eller spindelen fjernet hvilket etterlater i den avsatte struktur som en preform for den etterfølgende j bølgeleder. Når det anvendes et rør som utgangselement<p>g dette enten forblir på plass eller fjernes vil det eksistere et sentralt hull på samme måte som hvis en. fast stav var

fjernet fra det avsatte materialet. Dette sentrale hull måi deretter lukkes som tidligere angitt under trekking når det j faste, langstrakte bølgelederfilament trekkes..Ved den ytre i prosess vil enten utgangsstaven danne kjernen av den ferdige ! bølgeleder eller det først pålagte lag danne kjernen av den endelige bølgeleder mens de etterfølgende avsatte lag danner belegget derpå.

Når et startelement eller en spindel anvendes og ér påtenkt . å forbli i strukturen 'for sluttligen å danne kjernen i bølge-lederen^er betydelige ytre overflatebehandlinger, såsom ren-sning, glatting eller lignende nødvendig før avsetningen kan finne sted. I tillegg hvis startelementet eller kjernen er påtenkt å forbli og danne kjernen i bølgelederen må denne ■ være av.et meget rent glass og ha optiske egenskaper ekviva-lent med kvaliteten for bølgelederkjernen, eksempelvis lav signaldempning og med en tilsvarende brytningsindeks. , Når et startelement eller en spindel anvendes, enten denne forblir som en del av den optiske bølgeleder preform eller fjernes er det nødvendig med en betydelig bearbeiding, såsom ren-sing av spindelen, fjernelse, etsing o.l.

Ingen tidligere kjent teknikk er rettet på dannelse av en optisk bøl-geleder preform hvori startelementet, "bait" eller spindelen fjernes kontinuerlig under dannelse av preformen. Imidlertid er det i de etterfølgende referanser omtalt dannelse av en optisk bølgeleder preform i forbindelse med fremstilling av optiske bølgeledere. I US patent nr. 3.884.550 er angitt dannelse av et stort fast emne eller boule fra hvilke staver, som er påtenkt å utgjøre startelementet, kjernedrilles og deretter pusses og poleres. Slike staver må ha en høy renhet og bestå av glass med høy optisk kvalitet hvis de er påtenkt å forbli som kjernemateriale i den endelige optiske bølge-leder. Patentet omtaler også et utgangs- eller startelement<:>dannet ved normal glass-smeltning men advarer mot anvendelse' av dette der slikt element kan ha et uakseptabelt høyt for-urensningsnivå hvorfor det må fjernes.

De stringente optiske krav som settes til et transmisjons-medium for at dette kan anvendes i optiske kommunikasjons- j systemer har umuliggjort anvendelse av konvensjonell glass- i fiberoptikk fordi dempning enten p.g.a. spredning eller ab- j sorpsjon av urenheter er altfor høy. Da rent smeltet sili-siumoksyd har den laveste kjente optiske dempning av et hvilket som helst glass i det røde eller nære infrarøde området av spekteret hvori optisk kommunikasjon synes mest lovende var renset smeltet kvarts og dopet smeltet kvarts blant de tidligste vurderte materialer for anvendelse ved fremstilling av optiske bølgeledere. F.eks. ble enkle optiske bølgeledere fremstilt ved å innføre en titaniUmoksyd dopet kvartsfiber inn i et kvartskapillær. Røret ble deretter oppvarmet og falt sammen rundt den sentrale fiber hvoretter den' resulterende stav ble plukket på ny til bølgelederdimensjoner. Bølgeledere fremstilt på denne måte er enkelte ganger util-fredsstillende p.g.a. mange små lilftbobler og at det skjer en partikkeldannelse på kjerne- belegg-grenseflaten hvilket fører til lysspredende posisjoner og kjernediametervåriasjoner hvilket fører til meget høy dempning.

US patent nr. 3.737.292 er angitt ved dannelse av et startelement ved å male ut eller kjernebore elementet fra et fast emne eller bole. Den ytre overflate av dette sylindriske startelement poleres omhyggelig og renses for å fjerne ovef-flateujevnheter og forurensninger som senere kan forårsake lysspr.edning. Overf latepolering kan oppnås ved mekanisk polering, flammepolering, laserpolering e.l. Denne referanse angir en spesielt velegnet metode for å avglatté den ytre overflate av sylinderen ved først mekanisk polering bg deretter flammepolering av de mekaniske polerte overflater. Fluss-syrevasking av alle overflater utføres før og etter alle poleringsoperasjoner for å unngå forurensning. Denne referanse angir også at da startelementet til slutt fjernes er det kun nødvendig at det formes av et materiale med en sammensetning og utvidelseskoeffisient som er forenlig med bølgelederbelegget og kjernematerialet som avsettes etterpå. j Patentet angir også at materialet ikke behøver å være av høy j renhet og det kan fremstilles av normalt fremstilt glass med 1 normale eller høye urenhetsnivåer eller innfangede bobler

som ellers ville gjøre det uegnet for en effektiv lysgjennom-gang. Alternativt er det også i dette patent angitt startelementer som kan fremstilles av grafitt eller lignende.

I US patent nr. 3.7 75.07 5 er vist et startelement dannet på en måte meget lik den som beskrevet for US patentet nr. j 3.737.292. Forskjellen er den at i det sistnevnte patent fjernes ikke startelementet og danner kjernen i den endelige bølgeleder hvorfor renheten av materiålet og overflatebehand-lingen av kjerneelementet er av spesiell viktighet.

Fjernbare kjerner eller startelementer er også vist i US patent nr. 3.806.570. I detté patent er startelementet eller spindelen angitt å være et ikké-metallisk tett materiale med termiske ekspansjonsegenskaper mindre enn an-iQ00~ ^ x 10<7>/°C og et smeltepunkt over ca. 1400°C. Et slikt materiale er illustrert som grafitt, smeltet kvarts, glass-keramikk eller annen krystallinsk ildfast keramikk med lave ekspansjonsegenskaper såsom A^O^, mullitt,BN,SiC o.l.

En kjent fremgangsmåte ved fremstilling av en konvensjonell optisk fiber er vist i US patent, nr. 3.227.032. Denne fremgangsmåte omfatter å innføre en glass-stav som besitter de ønskede kjerneegenskaper, inn'i et rør av glass som utviser de ønskede beleggegenskaper. Temperaturen for denne kombinasjon heves inntil viskositeten av materialet er lav nok for trekking. Kombinasjonen trekkes inntil røret faller sammen rundt og smelter til den indre stav. Denne resulterende stav-kombinasjon trekkes ytterligere inntil dens tverrsnittareale avtar til de ønskede dimensjoner. Denne.fremgangsmåte anvendes normalt for fremstilling av optiske fibere med en stor kjerne og et tynt ytre belegg. Som eksempel vilden totale diameter til kjérnediaméteren for en slik fiber være 8:7.

Kontinuerlige optiske fiber preform fremstillinger er beskrevet i US patent nr. 4.062.665. I henhold til den deri beskrevne metode roteres et ildfast startelement og beveges ! samtidig frem langs rotasjonsaksen. Et glassråmateriale for: dannelse av kjernen av en porøs preform og følgelig en optisk filament preform innføres i en høytemperatur posisjon nær j spissen av en. høytemperaturbrenner fra et munnstykke for kjernen anordnet på linje med rotasjonssenteret aven endeoverflate av startelementet. Råglassmaterialet som blåses fra munnstykket bringes til reaksjon som følge av flammene fra høytemperaturbrenneren til å gi fine glasspartikler som avsettes på overflaten av startelementets sentrale del i dens aktielle retning og vil således danne en porøs kjerne. Minst et munnstykke for påsprøytning av et råglassmateriale for dannelse av belegget for den optiske filament preform er an-' ordnet i deri motsatte endeflate av startelementet, men av-viker litt fra dens rotasjonsakse eller er anordnet motsatt . 1 til den perifere overflate av den porøse kjerne. Råglassmaterialet for belegget sprøytes fra munnstykket for belegget til høytemperaturdelen av høytemperaturbrenneren og bringes til å reagere under dannelse av fine glasspartiklser som avsettes på overflaten av startelementet og på yttersiden av den porøse kjerne eller pa dens perifere overflate samtidig som den sistnevnte dannes og danner et porøst belegg. Den således erholdte preform føres til en høytemperaturovn anordnet i preformens bevegelsesretning for sammensmeltning (devitri-fikasjon) av denne til en filament preform. I denne forbindelse kan det også henvises til publikasjonen "Continuous Fabrication of High Silica Fiber Preform" av T. Izawa, S. Kobayashi, S. Sudo, og F. Hanawa, 1977 International Confe-rence on Integrated Optics and Optical Fiber Communicatibn, juli 18-20, 1977, Tokyo, Japan, Technical Digest, s. 375-377. I det nevnte patent og i den nevnte publikasjon angis en fremstillingsme.tode for fremstilling av en preform med flerindekstypen eller med gradert indeks ved dampfase aksial avsetning. Dette er en fremgangsmåte hvor senter opp-

j fangningsstaven (bait rod) er eliminert og både kjerne- og

belegg-glasset avsettes kontinuerlig på enden av utgangsstaven.

) Kontinuerlig fremstilling av optiske glassfibere er også • vist i britisk patentsøknad nr. 2.009.140 hvori en glass- ! stav oppvarmes til dens mykningspunkt og trekkes til en fiber i en ende mens et pulverformig glassaktig eller "for-glassbart" materiale kontinuerlig avsettes på en ende av staven i en avstand fra den trukne ende. Det avsatte materialet undergår ioneinntrengning når det avsettes slik at det dannes den ønskede radielle og aksielle brytningsindéks- : fordeling i den resulterende fiber.

En fremgangsmåte for fremstilling av trukne, smeltede metall-oksydrør. er vist i US patentet nr. 3.620.704, i henhold til hvilket formes et smeltet kvartsrør hvorpå avsettes en plas-tisk glassaktig masse av et metalloksyd på avsetningssonen på en spesielt formet, vertikalt opphengt spindel ved damp-fasehydrolyse og oppvarme det således avsatte metalloksyd til en temperatur tilstrekkelig til å danne en viskøs glass-, smelte eller boule, rotere spindelen rundt dens vertikale akse og kontinuerlig avtrekke en rørlignende struktur ned fra den plastiske oksydmasse som omgir den nedre ende. av spindelen og avkjøle den avtrukne struktur til en temperatur under hvilken den blir stiv. Den nedre ende av spindelen er formet slik at det forhindres at den plastiske glass-smelte glir av avsetningssonen men i steden trekkes røret fra en akkumulert boule eller masse på en slik måte som er velkjent ved glasstrekning.

Betegnelsen dampfaseoksydasjon innebefatter i det etterføl-gende "kjemisk dampavsetning" eller andre dampfaseoksydasjons-metpder. Betegnelsen "kjemisk dampavsetning" betyr dannelse av avsetninger ved kjemiske reaksjoner som finner sted på, ved eller nær avsetningsoverflaten, en definisjon angitt på side 3 i "Vapor Deposition" forfattet av C. F. Powell et al., New York, John Wiley&Sons, Inc., 1966. Hvilken som helst av de kjente varianter kan anvendes for å oppnå avsetning av, et egnet belegg av glass ved den kjemiske dampavsetnings-

prosessen.

Effektive måter å påføre belegg ved dampfaseoksydasjon er å i sintre et sotlag av det ønskede materialet påført ved "flam--mehydrolyse" prosessen slik som eksempelvis beskrevet i US patentene nr. 2.272.342 og 2.326.059.

Det vil forstås at glass for optiske bølgeledere vanligvis dannes ved å medføre en damp i en bærergass som tilføres.en avsetningsbrenner. Gassen reagerer til å avsette en sot av finfordelt materiale. Den tidligere litteratur omtaler den kjemiske prosess slik som den i henhold til de to sistnevnte patenter som flammehydrolyse. Imidlertid er det i den senere tid anerkjent at den kjemiske prosess ikke er hydrolyse men i steden er oksydasjon. I "Handbook of Chemistry and Physics" beskrives oksydasjon som en prosess som forøker andelen av oksygen eller syredanneride elementer i en forbindelse. På den annen side er hydrolyse definert som en reaksjon som innebefatter spalting av vann til dets ioner under dannelse av en svak syre eller base eller begge deler. Defi-nisjonen av oksydasjon beskriver bedre prosessen som finner'sted ved dampavsetningsprosessene av denne type. I alle til-feller anvendes en brenner på samme måte. Betegnelsen "oksy-dering" anvendes i steden for hydrolysering fordi den mere presist beskriver den kjemiske prosess som inngår. Det erholdte produkt er det samme uansett hvilken definisjon som anvendes for å beskrive prosessen.

"Sot" element, artikkel, struktur eller preform anvendes for å beskrive et element, artikkel, struktur eller preform dannet av sotpartikler som hefter til tilstøtende partikler men som ikke er sintret eller konsolidert, nemlig en porøs.ikke-konsolidert struktur.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for dannelse av en i det vesentlige kontinuerlig preform for et optisk filament, selve preformen og det resulterende optiske filament.

1 En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en i

det vesentlige kontinuerlig fremgangsmåte ved forming av en optisk bølgeleder preform under en samtidig fjernelse av. startelementet eller "bait" fra preformlegemet og hvor man ! unngår de tidligere omtalte ulemper. I korthet angis, i henhold til oppfinnelsen en i det vesentlige kontinuerlig fremgangsmåte og apparat for dannelse av en preform for et

optisk filament, selve preformen og den resulterende optiske, fiber. Et startelement, spindel eller "bait" er tilveie- j bragt og et pulverformig materiale påføres dens ytre overflate til å gi et belegg derpå. Belegget forskyves i lengderetningen under en samtidig tilførsel av det pulverformige

materialet til belegget hvorved preformlegemet påbegynnes idet preformlegemet deretter forskyves i lengderetningen bort fra startelementet. Ved en slik.forskyvning i lengderetningen av preformlegemet vil startelementet kontinuerlig fjernes fra preformlegemet når ytterligere pulverformig materiale tilføres dette og en longitudinal åpning forblir i preformlegemet når dette dannes. Den således dannede artikkel kan deretter oppvarmes, konsolideres eller trekkes til et optisk filament, idet den indre del vil utgjøre kjernen mens den ytre del omfatter belegget på det optiske filament. Sammensetningen av det pulverformige materiale tilført brennerene eller andre egnede påføringsmidlér kan styres i hen- 1 hold til den ønskede sammensetningsvariasjon over preform-legemets tverrsnitt.

Oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til de vedlagte tegninger hvori

Fig. 1 viser skjematisk et sideriss av påbegynnelsen av det pulverformige materialets påføring på et kontinuerlig fjern-bart startelement. Fig. 2 viser skjematisk et sideriss. av en annen måte å på-begynne påføring av det pulverformige materialet på det kontinuerlige fjernbare kjerneelement. Fig. 3 er et skjematisk sideriss som viser den i det vesent lige kontinuerlig dannelse av en artikkel hvori startelementet fjernes kontinuerlig. Fig. 4 er et skjematisk sideriss som viser et ytterligere j trinn ved konsolidering av artikkelen ifølge fig. 3 til; en fast preform. Fig. 5 er en skjematisk illustrasjon av midler for å under-støtte, rotere og forskyve artikkelen som dannes. Fig. 6 er et skjematisk sideriss som viser påføring av ét pulverformig materiåle på preformen i henhold til oppfinnelsen fira et antall brennere med en etterfølgende konsolidering og trekking av preformen til en optisk fiber. i i Fig. 7 er et skjematisk sideriss-av en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 8 er et skjematisk sideriss som viser ytterligere en i utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

Det henvises til fig. 1 hvor er vist et startelement eller oppfangningselementet 10. Som det nærmere vil bli forklart er enden 12 av startelementet 10 fortrinnsvis avskrådd. Startelementet 10 kan være forbundet til hvilket som helst av de kjente midler for å bringe dette til rotasjon rundt sin lengdeakse slik som indikert med pilen 14, hvilket vil bli beskrevet i det etterfølgende. Startelementet 10 kan være fremstilt av et hvilket som helst egnet materiåle såsom glass, Pt, Ta, C, ildfaste materialer såsom Al-jO^, mullitt, Si^N^o.l. og må være egnet for anvendelse i de etterfølgende beskrevne trinn uten degradering. Normalt vil startelementet 10 være sylindrisk, men den geometriske form er ikke kritisk.

Startelementet 10 kan være hult eller har interne kanaler

slik at gass kan føres gjennom dette. Startelementet 10 kan også ha en ringformet åpning eller en ring av huller eller åpninger for utføring av gass under påføring av et belegg 16 for å forhindre avsetning av partikler på startelementer I

10 på et sted bortenfor det hvor artikkelen eller den ferdige

artikkel i henhold til oppfinnelsen avsettes eller formes.

Et belegg 16 av partikkelformig materiale som sluttligen vil danne artikkelen ifølge foreliggende oppfinnelse, såsom en' optisk bølgeleder preform avsettes ved hjelp av en eller flere brennere 18 på overflateenden 12 av startelementet 10. Enhver brenner som kan tilveiebringe en strøm av partikkelformig materiale som kan rettes mot startelementet er egnet for dette formål. Som eksempel på en egnet brenner henvises det til US patent nr. 3.565.345.

Det må også forstås at betegnelsen "brenner" eller "brennere" ikke er begrenset til de ovenfor beskrevne brennere men er ment å omfatte alle egnede midler for generering og avsetning av et pulverformig eller sotmateriale, innebefattende midler for "non-full fired" oppvarmning av partikkelformig materiale under anvendelse av elektrisk motstandsoppvarmning, plasmaoppvarmning, induksjonsoppvarmning o.l.

Det pulverf ormige materialet 20 som danner belegget 16 kan være et hvilket som helst egnet materiale, eksempelvis ved dannelse av en optisk bølgeleder preform kan materialet være egnet for kjernen og belegget for en optisk bølgeleder. Egnede midler for avlevering av bestanddelene til brenneren 18 kan innebefatte i og for seg kjente midler, såsom vist i US patentene nr. 4.212.663 og 4.173.305.

Det vil forstås at fremstillingsprosessen vist i figurene

og beskrevet heri forutsetter at artikkelen som dannes er anordnet vertikalt og hvor partikkelavsetningen finner sted;

på den øvre ende mens forskyvningen eller forflytningen skjer i en vertikal, nedadrettet retning. Det vil imidlertid forstås at det motsatte kan være tilfelle idet fremgangsmåten utføres ved at avsetningen finner sted ved bunnen av artikkelen og at denne forskyves i en vertikal op<p>adrettet retning. I det sistnevnte tilfellet vil startelementet eller oppfangningselementet naturligvis være snudd opp ned slik at dets endeoverflate 12 er anordnet i en generell opp-adrettet retning.

Under henvisning til fig. 2 kan det sees at avsetning av belegget 16 på overflateenden 12 av startelementet 10 kan fremmes ved begynnelsen ved hjelp av et andre element 22 som tilveiebringer en relativ bred avsétningsoverflate 24. Det andre element 22 kan være et rør eller en stav av et ildfast materiåle. På denne måte kan avsetningseffektiviteten i av det påførte belegg 16 på startelementet 10 forøkes ved å tilveiebringe et bredere mål når prosessen påbegynnes. Etter at avsetningen av belegget 16 har forløpt tilstrekkelig kan det andre element 22 fjernes og avsetningen fortsette slik som beskrevet i det etterfølgende.

Under henvisning til fig. 3 kan det sees at det pulverformige materialet 20 påføres kontinuerlig på det dannede preform legemet 26. Startelementet 10 fjernes kontinuerlig fra preformlegemet 26 ved at dette forskyves i lengderetningen mens ytterligere pulverformig materiale er påført på den ende av legemet som omgir enden 12 av startelementet 10. Det vil derfor sees at legemet 26 forskyves i lengderetningen slik som indikert med pilen 28 og fjernes kontinuerlig fra startelementet 10's ende 12, hvilket fører til en i det vesentlige kontinuerlig fremstillingsprosess av et preformlegeme med en gjenværende langsgående åpning 3 0 som følge av at legemet fjernes fra startelementet 10.

Under henvisning til fig. 4 kan det sees at preformlegemet 26 dannes kontinuerlig ved kontinuerlig tilførsel av partikkelformig materiale 20 og forskyves i retningen indikert med pilen 28, idet preformlegemet innføres i en varmesone illustrert med varmeelementene 3 2 hvor det partikkelformige materialet konsolideres til en fast preform 34 og den. langsgående åpning 30 lukkes eller faller sammen. Det er også vist i midler 36 for å understøtte, rotere og forskyve preformen under dens dannelse. Det vil forstås at rotasjonen av preformer kan være i samme retning som rotasjonen av startelementet 10, eller den kan være i motsatt retning. En illustrasjon av midlene 36 er beskrevet mere fullstendig under henvisning til figur 5 i henhold til hvilke midlene 36 omfatter en eller flere sett av tre eller flere planéta- risk drevene hjul 37 som er konstruert og anordnet for å ut-' virke en kraft mot lengdeaksen av den konsoliderte preform ; 3 4 for både å virke som støtte og rotasjon av hele preformen'eller artikkelen. Ved å vri aksen for en eller flere av de j plahetarisk drevene hjul, slik at deres akse ikke lenger er parallell med lengdeaksen for preformen 34 så vil hjulet eller hjulene utøve en kraft i preformens lengderetning og således tilveiebringe en forskyvende bevegelse såvel som rotasjon. Det vil forstås at midlene i henhold til fig. 7 kun er gitt som en enkel illustrasjon på midler for å tilveiebringe forskyvning og rotasjon av den dannede artikkel og er ikke kritiske for foreliggende oppfinnelse da hvilke som helst andre midler for uriderstøttelse, forskyvning og rotasjon kan anvendes.

Under henvisning til fig. 6 hvor preformen 26 skal være en preform for en optisk bølgeleder kan det være ønskelig å påføre et andre pulverformig belegg 40 til å gi belegget på den endelige bølgeleder. Det vil forstås at ved passende påføring av pulverformig materiale kan den ønskede tverrsnitt-variasjon i sammensetning oppnås allerede i begynnelsen ved i

i brenneren eller brennerene 18, imidlertid, når det er ønske-i lig med et ytterligere pulverformig belegg 40 kan dette på-føres ved hjelp av en eller flere sekundære brennere 42.

I forbindelse med brennerene 18 og 42 så vil det forstås at også slike brennere kan om ønsket roteres eller det kan anvendes en i og for seg kjient båndbrenner. I fig. 6 er det ytterligere vist trinnet ved å fremstille i det vesentlige kontinuerlig en optisk bølgeleder 44 hvor den faste preform 3 4 i rekkefølge oppvarmes langs den langsgående bane ved hjelp av brennere eller ovn 45, ved hjelp av hvilken temperaturen i en ønsket del av den erholdte kombinasjon heves til trekktemperaturen for det aktuelle materiale og trekkes til en optisk bølgeleder eller filament 44 på i og for seg kjent måte. Det vil forstås at for en slik kontinuerlig fremgangsmåte må bevegelseshastigheten for preformlegemet

26, den faste preform 34 og den optiske bølgeleder eller filamentet 44 hver være av en slik størrelsesorden at det til- i lates en jevn avsetning av det pulverformige materialet til '

enden 12 av startelementet 10. Forflytningshastigheten opp-

i til trekkpunktet av den faste preform til en optisk bølge-leder eller filament vil generelt være ganske jevn men deretter økes hastigheten tilstrekkelig til å tillate trekking j av en bølgeleder eller filamentet 44. Det vil forstås at når en fast preform 34 trekkes til et filament 44 vil lengden forøkes vesentlig hvorfor hastigheten i lengderetningen må forøkes for å muliggjøre den betydelige forlengelse av filamentet 44 over lengden av preformene 26 og 34. For en nærmere omtale av påføring av pulverformig materiale, konsoll-dering og trekking så henvises det til US patentene nr.

3.659.915, nr. 3.711,262, nr. 3.737.292, nr. 3.737.293, nr. 3.775.075, nr. 3.806.570, nr. 3.859.073 og nr. 3.884.550;

■ i I fig. 6 er det også indikert en ytterligere brenner 46 anor<L>dnet nedstrøms for dens andre brenner 4 2 som tilføres naturgass og luft til å gi en relativt turbulent oppvarmet sone som forhindrer avsetning av lite vedheftende sotpartikler fra ytterkantene av den sekundære brenner og for å forhindre termisk sjokk av preformen 26 når denne innføres i konsolideringsovnen eller varmesonen dannet av oppvarmningsanord-ningene 32.

I fig. 6 er også vist en åpning 47 i startelementet 10 og en ring av radielt anordnede åpninger 48. Tørkegass såsom klor e.l. kan føres gjennom åpningen 47 inn i den porøse preform 26 og gjennom porene i denne og ut.til den omgivende atmos-fære. En gass-strøm gjennom åpningene 48, som kan være forbundet ved ikke viste kanaler i startelementet 10 til en egnet gasskilde, tilveiebringer et gass-skjold som forhindrer at sot avsettes ovenfor åpningene i startelementet. Det vil forstås at det ovenfor nevnte trekk muliggjør dannelse av en preform med høyere optisk kvalitet, fremmer en bedre frem-stillingsprosedyre og er derfor en foretrukket men ikke nød-vendig del av foreliggende oppfinnelse. En ytterligere ut-førelsesform av foréliggende oppfinnelse er vist i fig. 7 og et preformlegeme 26 konsolideres ved hjelp av varmeanordningene 32 til en fast preform 49 hvori den langsgående åpning 30 bibeholdes etter konsolidering. I en slik utførelses- form kan den faste preform 49 anvendes når det er ønskelig med anvendelse av en slik åpning eller eventuelt kan åpningen bringes til å falle sammen under dannelse av. en fast preform;

En ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen er vist i fig. 8 hvor et antall brennere 50, 51 og 52 anvendes for påføring av ytterligere belegg av pulverformig materiale på ytterover-flåtene av preformen 26 som opprinnelig er dannet av brenneren 18. Slik ytterligere påføring av pulverformig materiale' kan være ønskelig for å oppnå en forhåndsbestemt ønskelig tverrsnittsvariasjon i sammensetningen. Brennerene 50,51 og 52 kan anvendes for å påføre den samme blanding eller forskjellige blandinger av pulverformig materiale eller varia-sjoner i sammensetningen av det pulverformige materiale. Selv om illustrasjonen vist i fig..8 viser et preformlegeme som konsolideres av varmeanordningene 32 til en fast preform 49 med en langsgående åpning så vil det forstås at den indre åpning kan lukkes slik som vist i fig. 4 og 6 og deretter trekkes slik som vist i fig. 6 som en del av den samme opera-sjonen. Det vil også forstås at de faste preformer 34 og 49 vist i henholdsvis fig. 4 og 8 kan avkuttes i ønskede lengder og om ønskelig kan den langsgående åpning deretter bringes til å falle sammen, når en slik er tilstede, og trekkes til optisk bølgeleder eller et filament.

De beskrevne, varmeanordninger kan være hvilken som helst kjent varmekilde, såsom en ovn, flamme, laser, motstands-element, induksjbnsoppvarmer e.l. idet den spesielle varme-anordning ikke er kritisk for foreliggende oppfinnelse..

EKSEMPEL 1

Et spesifikt eksempel på en i det vesentlige kontinuerlig fremgangsmåte for dannelse av en artikkel eller optisk bølge-i lederevne er som følger. Et startelement dannet av A^O^med en diameter på ca. 6 mm og med avskrådd endedel innføres 1 en innelukke med kontrollerte omgivelser. En flatbrenner tilsvarende den beskrevet i US patent nr. 3.69.8.936 er anordnet i en avstand på ca. 13 cm fra den ytre overflate av den avskrådde ende og danner en vinkel på ca. 90° med start-<1>;elementets lengdeakse. Startelementet knyttes til et rota-sjonsapparat kjent som en topp chuck hvis rotasjonshastig- i het kan varieres fra ca. 10 omdr./min. til 1000 omdr./min.

med en typisk rotasjonshastighet på ca. 60 omdr./min. i

Reaktantene føres til brenneren fra et tilførselssystem slik som beskrevet i det nevnte US patent nr. 4.212.663. Para-metrene for reaktantstrømmen i dette eksempel er 1,6 SLPM (standard liter/min.) oksygen, 8 g/min. SiCl4, 1 g/min. P0C13, 2 g/min. GeCl4- Den totale brennestrøm er 3,5 l/min. oksy- ! gen og 4,0 liter/min. naturgass. Brenneren har et indre og ytre skjold av oksygen med en bksygenstrøm på 2,0 l/min. oksygen i det indre skjold og 6,0 l/min. oksygenstrøm i det ytre skjell. Etter at avsetningen av fine sotpartikler på den avskrådde enden av startelementet har begynt så er avsetningshastigheten av fine sotpartikler ca. 0,6 g/min. Etter at en tilstrekkelig mengde sotpartikler er avsatt på den avskrådde ende av startelementet og på enden av det andre element av det ildfaste star tr ør., som vist i fig. 2 forflyttes belegget av sotpartikler longitudinalt langs startelementets lengdeakse og i en retning bort fra startelementet ved hjelp av en apparatur som -er" kjent som en "forflytter" og som er generelt beskrevet i forbindelse med fig. 5. En forflytter er en mekanisme konstruert for å rotere det avsatte artikkelelement med samme rotasjonshastighet som topp chucken og startelementet og samtidig langsomt forflytte det avsatte element eller artikkel bort fra topp chucken langs lengdeaksen med kontrollert hastighet. Forflytningshastigheten kan varieres fra 0,2 mm/min. til ca. 50 mm/min. Jo raskere

i forflytningen skjer desto mindre vil tverrsnittareålet være

for det avsatte glass. I dette eksempel var forflytningshastigheten ca. 2,4 mm/min. og sotelementets ytre diameter var maksimalt ca. 50 mm. Dette apparatet roterer også belegget av sotpartikler langs lengdeaksen med en rotasjonshastighet på 60 omdr./60 min. Når belegget av sotpartikler bygges opp og bringes til forflytning langs sin lengdeakse så vil startelementet i realiteten fjernes kontinuerlig fra preformlegemet som dannes og etterlate en langsgående åpning i preformen. Med andre ord når preformlegemet dannes under forflytning i lengderetningen vil, fordi åpningen ved initieringen av preformdannels.en er den avskrådde ende av startelementet, progressivt fjernes fra dette under dannelsen og således kan startelementet betraktes som om det kontinuerlig fjernes fra preformlegemet når dette dannes.

Den således erholdte porøse preform føres deretter gjennom

en varmesone hvor partiklene konsolideres til en fast preform. Oppvarmningsapparatet eller konsolideringsovnen omfat^ter en motstandsoppvarmet. enhet med høytemperaturelementer såsom "Super Kanthal" eller en muffe som er spesielt inne-lukket og inneholder en konsolideringsatmosfære som er ca. 40 SLPM helium med 4 SLPM oksygen for dette eksempel. Konso-lideringstemperaturen var ca. 1550°C. Den resulterende tverrsnittsammensetning av preformen dannet i henhold til foreliggende eksempel er ca, 7 vekt-% P^O^ved senterlinjen av preformen og avtar i det vesentlige lineært til ca. 4 vekt-% ved den ytre diameter, 22 vekt-% Ge02ved senterlinjen og som avtar jevnt til ca. 13 vekt-% ved den ytre diameter. Resten utgjøres av Si02over diameteren av preformen.

Den faste preform underkastes deretter et ytterligere varme-trinn hvor temperaturen heves til trekktemperaturen av materialet i preformen, nemlig ca. 1900°C og preformen trekkes til et filament eller tråd. Filamentet belegges med en poly-mer med relativ lav brytningsindeks såsom en ved romtempe-ratur vulkaniserbar silikongummi som når den varmeherdes både beskytter glassfilamentet mot abrasjoner og således bevarer styrken samt virker som et optisk belegg på fiberen.

De optiske egenskaper for de resulterende filamenter eller bånd er som følger. Dempning ved 820 nm på 8 dB/km, dempning ved 1060 nm på 6 dB/km, -3 dB optisk båndvidde ved ca. 20 MHz km og med en numerisk åpning på ca..0,3.

EKSEMPEL 2

Et annet eksempel på en i det vesentlige kontinuerlig fremgangsmåte for dannelse av en optisk bølgeleder i henhold til oppfinnelsen ér som følger. En.første flatebrenner, slik som beskrevet i det foregående eksempel anvendes for å avsette GeC^ • P2^5 ' ^^ ®2 ^ jernes°telement • En andre f late-brenner er plassert ca. 5 cm nedstrøms for den første brenner slik at dens flamme og.sotstrøm vil avsette et andre belegg av sotpartikler på det allerede avsatte sotelement. Driftsbetingelsene for denne andre brenner er identisk med den første brenner bortsett fra at det ikke anvendes noe

GeCl. eller noe POC1-,..

4 3

Denne andre brenner avsetter hovedsakelig SiC^, et glass med lavere brytningsindeks enn det avsatt fra den første brenner og det andre glass vil således danne belegget på den resulterende fiber. Avsetningen fortsettes inntil den ytre diameter av sotelementet når ca. 7 0 mm. Avsetningshastigheten var ca. 0,7 g/min.

En tredje brenner, kalt hjelpebrenner er typisk plassert 5 cm nedstrøms fra den andre brenner og tilføres naturgass og luft for å danne en relativt turbulent oppvarmet sone som forhindrer avsetning av svakt vedheftende sotpartikler fra ytterkantene av den andre brenner og for å forhindre termisk sjokk av sotelementet når dette innføres i konsoliderihgs-sonen. Konsolideringen av sotelementet utføres i en ovn ved en temperatur på ca. 1600°C. En kontrollert aksiéll gass-strøm føres gjennom den langsgående åpning i startelementet for å fjerne hydroksylioner fra sotelementet når dette oppvarmes i konsolideringsovnen. En slik tørkegass kan være en blanding av 40 standard cm 3/min. klor og 0,75 SLPM helium. I tillegg kan en andre gass-strøm såsom nitrogen i en mengde på 1 SLPM føres gjennom kanalene inne i startelementet og som utføres radielt i et ringmønster av åpninger ved den øvre kant av det avsatte sotlag fra brenneren. Denne gass-strøm sikrer at sot ikke avsettes over ringen av åpninger på startelementet. Sotelementet blir således konsolidert.

Det konsoliderte element eller preform kjøres til den andre varmesone som kan vasre en høy temperatur motstandsoppvarmet grafittovn, induksjonsoppvarmet zirkoniumoksydovn, I^/C^flamme eller en CG^laseroppvarmet sone som drives ved tilstrekkelig énerginivå til å heve temperaturen for det. konsoliderte preformglass til en temperatur på 1700-2100°C. For dette eksempel var den typiske ovnstemperatur ca. 1850°C. Ved anvendelse av en start kvartsstav og kjent fibertrékke-teknikk ble et kontinuerlig filament av en glassbelagt bølge-leder trukket. Også i dette tilfellet påføres plastbelegg for å beskytte glassfilamentet under håndtering, men de. optiske egenskaper for plastbelegget er uvesentlige for virk-ningen av filamentet som optisk fiber eller bølgeleder fordi den andre brenner hadde avsatt et glass med lavere brytnings-.indeks og virker således som det optiske bølgelederbelegget. Typiske optiske egenskaper for den optiske bølgeleder fremstilt på denne måte var som følger:

Dempning ved 8 20 nm var 5 dB/km, dempning ved 10 60 nm var

3 dB/km, båndvidden var 25 MHZ.km, og forholdet kjerne til

ytre. diameter var ca. 0,7, eller en 100 um diameter kjerne når fiberens ytre diameter trekkes til ca. 150 _um diameter.

EKSMEPEL 3

Et ytterligere eksempel på den i det vesentlige kontinuerlige fremgangsmåte ved forming av en artikkel i. henhold til oppfinnelsen er som følger. Under henvisning til fig. 8 ble brennerene 18,50,51 og 52 drevet under de samme betingelser som beskrevet for den andre brenner i eksempel 2. Reaktan-ten er SiCl4 og det resulterende glass Si02- Preform senter hullet 30 lukkes ikke under konsolidering og den resulterende artikkel er et kontinuerlig fremstilt rør.

Optiske bølgeledere fremstilt i henhold til foreliggende oppfinnelse, ved den i det vesentlige kontinuerlige fremstil- lingsmetode. for dannelse av en optisk bølgeleder, preform og den erholdte optiske bølgeleder er egnet og tilpasset for fremføring av energi av en eller flere "modes". Andre bety-dningsfulle og meget viktige fordeler ved den i det vesentlige kontinuerlige fremgangsmåte for forming av artikler eller, optiske bølgelederemner og derav følgende optiske bølgeledere er som følger. Ved addering av en eller flere avsetningsbrennere er det mulig i vesentlig grad å forøke avsetningen eller glassdannelseshastigheten og tilveiebringe en forbedret tilpasning av glassegenskapene i radiell retning slik at det kan fremstilles en nær parabolsk radiell brytningsindeksprofil.for den optiske bølgelederkjerne, som tilveiebringer høy båndvidde eller bølgeledere med høy in-formasjonsbærerkapasitet. I tillegg kan den kontinuerlige, fremgangsmåte anvendes for å fremstille høykvalitets optiske glassrør av kvarts eller forskjellige dopede kvartsblanding-er ved anvendelse av et passende halogenid eller metalldopé-midler med relativt høyt damptrykk i røkavleveringstrinnet.

Den nye fremgangsmåte er blant annet særpreget ved at bland-ingen av det pulverformige materialet fra brennerene kontrol-leres for å tilveiebringe en forhåndsbestemt ønsket tverr-snittssammensetningsvariasjon i det dannede legemet, slik at dette blant annet omfatter en kjerne og et belegg idet bryt-ningsindeksen for belegget er mindre enn den for kjernen, slik at dette ved oppvarmning kan trekkes til et optiske filament eller en optisk bølgeleder. Fremgangsmåten omfatter også å rotere startelementet mens det pulverformige materialet<p>åføres og samtidig rotere det dannede legemet mens dette forflyttes i lengderetningen. Den langstrakte åpning i det dannede legemet kan bringes til å falle sammen samtidig med atkonsolideringstrinnet for det pulverformige materialet eller åpningen kan bringes til å falle sammen etter konsolideringstrinnet, eventuelt samtidig med trekningen av det optiske filamentet.

Claims (15)

1. En i det vesentlige kontinuerlig fremgangsmåte ved for-mning av en artikkel og som omfatter påføring av et pulverformig materiale på den ytre overflate av et startelement for dannelse av et belegg på denne, karakterisert ved at belegget forflyttes longitudinalt under' en samtidig påføring av ytterligere mengder av det pulverformige materialet på belegget for å initiere dannelsen av et legeme og forflytte legemet i lengderetningen til å gi et. legeme som er befridd for startelementet i en longitudinal åpning således dannet i legemet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det pulverformige materialet påføres ved hjelp av minst en brenner.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved å oppvarme det således erholdte legemet for å konsolidere det pulverformige materialet.

4. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-3, karakterisert ved å rotere startelementet mens det pulverformige materialet tilføres.

5. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-4, karakterisert ved samtidig å rotere legemet mens dette forflyttes i lengderetningen.

6. Fremgangsmåte ifølge -kravene 4 eller 5, karakterisert ved å rotere legemet i den samme retning eller i motsatt retning i forhold til startelementet under en samtidig longitudinal forflytning av legemet.

7. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-6, karakterisert ved å påføre et andre belegg av pulverformig materiale pa utsiden av det dannede legemet, hvilket legeme ut-gjør kjernen og det andre belegg utgjør et belegg med en brytningsindeks lavere enn den for kjernen.

8. Apparat for fremstilling av et i det vesentlige kontinuerlig porøst legeme i henhold til fremgangsmåten ifølge kravene 1-7, omfatténde et startelement (10) og midler (18) for påføring av et pulverformig materiale på den ytre overflate av minst en del av startelementet for å tilveiebringe et belegg derpå, karakterisert ved midler for å forflytte belegget mens tilførselsanordningen for det pulverformige materialet tilfører ytterligere mengder av dette på belegget for å initiere dannelse av et hult po-røst legeme, samt forflytningsmidler som forflytter legemet under dets dannelse til å gi et legeme fritt for startelementet i den langsgående åpning i det således dannede legeme.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved midler for å rotere startelementet mens det pulverformige materialet påføres.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved midler (36) for å rotere det porøse legemet i samme retning eller i motsatt retning i forhold til startelementets rotasjonsretning.

11. Apparat ifølge kravene 9 eller 10, karakterisert ved midler (37) for rotering av den porøse artikkel mens denne samtidig forflyttes longitudinalt.

12. Apparat ifølge kravene 8-11, karakterisert ved en hjelpeoppvarmingsanordning (42) anordnet nedstrøms i forhold til et antall brennere.

13. Apparat ifølge kravene 8-^ -12, karakterisert ved at startelementet 10 er forsynt med en sentral gjennomgående åpning.

14. Apparat ifølge krav 13, karakterisert ved at startelementet er forsynt med en avskrådd endedél (12)...

15. ■ Apparat ifølge kravene 8-14, karakterisert ved at startelementet er forsynt med et antall radielle åpninger 48 inne i dens avskrådde endedél mellom dens ender.