DK158894B - Fremgangsmaade til fremstilling af forformede emneraf optiske fibre - Google Patents

Description

DK 158894 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af forformede emner af optiske fibre ved aksial dampfasepåføring og af den i krav 1' s indledning angivne art.

5 Metoden med aksial dampfasepåføring er én blandt de metoder, man anvender til produktion af silicium-oxyd-baserede glasfibre, når disse skal anvendes som optiske lavtabsfibre til kommunikationer.

Pig. 1 på tegningen illustrerer skematisk prin-10 cippet for fremstilling af forformede optiske fiberemner ved dampfasepåføringsprocessen. En oxygenhydro-genbrænder-2 anbragt i den nedre ende af en beskyttende beholder 1 af fx. kvartz afgiver et glasdannende materiale såsom SiCl4 og et brydningsindeksregule-15 rende materiale (doteringsmateriale) såsom GeCl4, der bruges til ændring af det glasdannende materiales brydningsindeks, og disse materialer udsættes for en oxiderende reaktion til dannelse af fine glaspartikler.

De således frembragte glaspartikler påføres en bære-20 stav med henblik på opnåelse af en given rumlig fordeling af partiklerne til dannelse af et porøst emne 4. Derefter sintres og vitrifieres det porøse emne 4 ved opvarmning til en høj temperatur på 1450 til 1700°C ved hjælp af en varmegenerator 5 til opnåelse af et op-25 tisk fiberemne 6. Under fremstillingen af det optiske fiberemne 6 ved den aksiale dampfasepåførings-proces vil spillerummet mellem den påføringsflade 7, der dannes i den nedre ende af det porøse emne 4 og oxygenhydrogenbrænderen 2 gradvis aftage efterhånden 30 som operationen skrider frem, hvorved der sker en ændring i den rumlige fordeling af både det glasdannende materiale og doteringsmaterialet. Derfor må fremstil-lingsapparatet for at opretholde et konstant spillerum være således indrettet, at det porøse emne 4 bevæger 35 sig opad og roterer, medens det vokser. Det har imidlertid været vanskeligt at opnå emner med den ønskede 2

DK 158894 B

fordeling af brydningsindekset ved blot at forsøge at opretholde et konstant spillerum mellem brænderen og påføringsfladen på emnet.

Denne teknik kendes fra GB-A-2.059.944. Ud fra 5 dette patentskrift er det kendt, at fordelingen af overfladetemperaturen på et porøst forformet emne under fremstillingsprocessen spiller en væsentlig rolle i dannelsen af brydningsindeksprofilen. Mængden af doteringsmateriale i de frembragte, fine glaspartikler vok-10 ser med emnets overfladetemperatur. Patentskriftet angiver, at man kan regulere fordelingen af doteringsmateriale i emnet og dermed brydningsindeksprofilen ved at regulere overfladetemperaturfordelingen på den voksende overflade.

15 Da man ikke er i stand til direkte at måle tem peraturfordelingen foreslår patentskriftet, at brænderen opstilles i en vis vinkel i forhold til emnets rotationsakse, ud fra den betragtning, at man herved opnår en brydningsindeksprofil med parabel-forløb, hvil-20 ket fører til gode egenskaber, hvad angår brydningsindeks og transmission.

Med denne kendte metode er det imidlertid ikke muligt at konstruere en kontrolkreds, der kontrollerer brydningsindekset, medens fremstillingsprocessen er i 25 gang. Med andre ord, når man har indstillet vinklen for brænderen, kan man kun antage, at alle de øvrige procesparametre holder sig konstant, og at brydningsindeksfordelingen altid er den samme over hele længden af emnet. Reelt kan processen ikke udføres under konstant-30 holdelse af alle de parametre, der indvirker på brydningsindeksfordelingen, således at man kan overvåge afvigelser fra den forventede fordeling.

Opfindelsen tager sigte på at afhjælpe disse vanskeligheder og med henblik herpå er fremgangsmåden 35 ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at der etableres en relation mellem formen af påføringsfladen på emnet 3

DK 158894 B

og brydningsindekset, og at formen af påføringsfladen derefter overvåges under et givet trin af processen, således at når formen afviger fra en forudbestemt form, der kræves til opnåelse af et givet brydningsindeks, 5 justeres mindst én variabel af påføringsprocessen, der indvirker på formen, med henblik på at opveje afvigelsen og opnå den forudbestemte form.

Opfindelsen beror på den erkendelse, at der er korrelation mellem formen af den på emnet påførte flade 10 og brydningsindeksfordelingen på emnet. Er man i stand til at finde denne korrelation, har man dermed mulighed for at finde den variable, der har indflydelse på brydningsindekset, og som under selve processen kan reguleres, og dermed mulighed for at konstruere en re-15 guleringskreds, hvormed man under gennemførelsen af selve processen kan regulere brydningsindeksprofilen under samtidig overvågning af formen på yderfladen af emnet. Disse betragtninger uddybes nærmere senere i beskrivelsen.

20 Grundtanken er således, at der etableres en re lation, navnlig af matematisk art, mellem formen af påføringsfladen på emnet og brydningsindekset, og at formen af påføringsfladen derefter reguleres under et eller flere trin af processen for at sikre givne bryd-25 ningsindeksværdier under et eller flere trin af processen. Hensigtsmæssigt kan der på forhånd foretages bestemmelse af korrelationen mellem en funktion, der tilnærmelsesvis repræsenterer formen af en påføringsflade på enden af det porøse emne i afhængighed af den 30 radiale afstand, som variabel, fra midten af påføringsfladen, og en funktion, der repræsenterer fordelingen af brydningsindekset i den radiale retning af det optiske fiberemne, med afstanden i radial retning fra midten af det optiske fiberemne som variabel, hvorpå 35 den optimale form af påføringsfladen bestemmes på basis af korrelationen mellem de to funktioner og påførings- 4

DK 158894 B

processen afvikles således, at påføringsfladen har den optimale form.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor 5 fig. 1 viser et anlæg til fremstilling af op tiske fiberemner ved aksial dampfasepåføringsproces, fig. 2 en graf, der viser relationen mellem koncentrationen af doteringsmateriale og temperaturen i dampfasepåføringsprocessen, 10 fig. 3a og 4a formen af en påføringsflade på et porøst emne under fremstilling, fig. 3b og 4b fordelingen af brydningsindekset i et optisk fiberemne, der tilvejebringes med de i fig.

3a henholdsvis 4a viste former, 15 fig. 5 en graf, der viser relationen mellem eks ponenterne for de funktioner, der bestemmes af kurverne i fig. 3a og 4a og fig. 3b og 4b, fig. 6a en ideel fordeling af brydningsindekset i et ved dampfasepåføring tilvejebragt emne, og 20 fig. 6b den ideelle form af en påføringsflade på et ved dampfasepåføring tilvejebragt emne svarende til den ideelle fordeling af brydningsindekset som vist i fig. 6a.

Til fremstilling af et optisk fiberemne 6 med 25 en ønsket fordeling af brydningsindekset, skal man være meget opmærksom på fordelingen af det doteringsmateriale, der skal påføres overfladen af det porøse emne 4.

Fig. 2 viser relationen mellem koncentrationen af doteringsmaterialet og temperaturen af påføringsfladen på 30 det porøse emne 4. Som det fremgår af fig. 2 vokser koncentrationen af doteringsmaterialet såsom Ge02 proportionalt med overfladetemperaturen på påføringsfladen. Temperaturvariationen har således stor indflydelse på fordelingen af brydningsindekset. Det er 35 imidlertid vanskeligt at kende temperaturvariationen på påføringsfladen under fremstillingen af det porøse emne.

5

DK 158894 B

Man har undersøgt relationen mellem formen af påføringsfladen på det porøse emne og fordelingen af brydningsindekset, og man har opnået følgende resultater.

5 Formen af påføringsfladen på det porøse emne, der vokser i en bestemt form fotograferes og profilen tegnes som vist i fig. 3a: Dette svarer tilnærmelsesvis til funktionen: 10 F(r) = | (r/a)a hvor a repræsenterer den maksimale radius, r en vilkårlig radius, og hvor 0 ^ |r| ύ a). Derefter be-15 stemmes eksponenten a. Et porøst emne, der tilvejebringes, medens påføringsfladen opretholdes i den i fig. 3a viste form udsættes for en konsolideringsbehandling til dannnelse af det optiske fiberemne, og man måler fordelingen af brydningsindekset i det optiske 20 fiberemne og opnår det resultat, der er vist i fig. 3b.

Denne kurve repræsenteres af funktionen: Δη(r) = Δη0 {1 - | (r/a)β | } 25 hvor Δη0 repræsenterer den maksimale brydningsindeks-differens, dvs. differensen i brydningsindeks mellem en koncentration af Ge02 på 0 vægtprocent og en koncentration af GeC>2 på 15 vægtprocent, hvor r og a har ovennævnte betydning. Derefter bestemmes eksponen-30 ten β.

For et optisk fiberemne, der produceres, medens man for påføringsfladen opretholder den form, der er vist i fig. 4a, som afviger fra den i fig. 3a viste 6

DK 158894 B

fom, bestemmes værdierne af eksponenterne α og β på samme måde som beskrevet i det foregående.

På basis af et antal forsøgsresultater bestemmes relationen mellem eksponenterne α og β, dvs. rela-5 tionen mellem formen af påføringsfladen og den tilsvarende fordeling af brydningsindekset. Denne relation er vist i fig. 5. Det har således vist sig, at der er en hvis korrelation mellem formen af påføringsfladen og fordelingen af brydningsindeks. Den ideelle fordeling 10 af brydningsindeks i et gradueret optisk fiberemne er en tilnærmelsesvis parabelformet fordeling.

Med en graf af den type, der er vist i fig. 5, kan man bestemme den tilsvarende værdi af eksponenten α. Med denne α-værdi repræsenteres den ideelle form 15 af påføringsfladen tilnærmelsesvis af funktionen: F (r) = (r/a)01 20 hvor O ύ Ir| ύ a) kan bestemmes, idet r og a har ovennævnte betydning. Informationen om denne ideelle form kan oplagres i en computer. Ved hjælp af en TV-skærm, kan man overvåge afvigelsen mellem den aktuelle form af påføringsfladen og den ideelle form og fore-25 tage justering ved ændring af positionen af oxygen-hydrogenbrænderen, hvorved den ideelle fordeling af brydningsindeks opnås. Det er klart, at afvigelsen kan opvejes ved at bevæge det porøse emne eller ved at bevæge både det porøse emne og brænderen. Endvidere kan 30 afgivelsen reguleres ved regulering af den gasmængde, der afgives fra oxygenhydrogenbrænderen, eksempelvis ved forøgelse eller formindskelse af mængden af doteringsmateriale. En undersøgelse af optiske fiberemner, der fremstilles ved den ovenfor beskrevne fremgangs-35 måde viser, at der kan opnås ønskede middelværdier fx 7

DK 158894 B

en båndbredde på 800 MHzkm ved en lysbølgelængde på 0,85 μηι og en båndbredde på 850 MHzkm ved en lysbølgelængde på 1,30 μπι.

Til sammenligning er der fremstillet ti optiske 5 fiberemner uden kontrol af formen af påføringsfladen.

På disse referenceemner har man målt båndbredden og kom til det resultat, at den i gennemsnit var på 430 MHzkm ved lysbølgelængde på 0,85 μπι og på 520 MHzkm ved lysbølgelængde på 1,3 μπι. Af disse resultater fremgår det, 10 at fremgangsmåden ifølge opfindelsen giver mulighed for at fremstille optiske fiberemner med meget bedre egenskaber, hvad angår båndbredden.

Ud over kontrollen af formen af påføringsfladen på det porøse emne har det vist sig, at temperaturfor-15 delingen på påføringsfladen er proportional med afstanden mellem påføringsfladen og oxygenhydrogenbræn-deren. Man ved allerede som det fremgår af fig. 2, at koncentrationen af doteringsmateriale såsom Ge02 er proportional med temperaturen, og at den ideelle forde-20 ling af brydningsindekset repræsenteres af funktionen: 3opt i Δη (r) = ÅnQ {1 - (r/a) } 3opt c* 2 25 hvor Δη0, r, a og β har den ovenfor nævnte betydning.

Som følge heraf, kan man på basis af diagrammet af funktionen som vist i fig. 6a og diagrammet i fig.

2, tegne det ideelle diagram for påføringsfladen som vist i fig. 6b med temper a tur for del ingen på ordinat-30 aksen. Når værdien af eksponenten β er bestemt, kan man derfor som vist i fig. 6b bestemme koordinaten i længderetningen i forhold til den radiale retning for formen af påføringsfladen. På basis af denne koordinat-

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et forfor met emne af en optisk fiber, der har en forudbestemt brydningsindeksfordeling, ved en aksial dampfasepåfø-ringsproces, ved hvilken et glasdannende materiale og et brydningsindeksregulerende doteringsmateriale ud-35 sættes for flammeoxidering ved hjælp af en oxygenhydro-genbrænder til dannelse af fine glaspartikler, som på- DK 158894 B føres den ene ende af en bærestav, indrettet til at bevæge sig bort fra oxygenhyd rogenbrænd er en og til samtidig at rotere for at lade et stavformet porøst emne vokse på staven, kendetegnet ved, at der 5 etableres en relation mellem formen af påføringsfladen på emnet og brydningsindekset, og at formen af påføringsfladen derefter overvåges under et givet trin af processen, således at når formen afviger fra en forudbestemt form, der kræves til opnåelse af et givet bryd-10 ningsindeks, justeres mindst én variabel af påføringsprocessen, der indvirker på formen, med henblik på at opveje afvigelsen og opnå den forudbestemte form.

2. Fremgangsmåde ifølge krav l, kende tegnet ved, at afstanden mellem det porøse emne 15 og oxygenhydrogenbrænderen justeres med henblik på opretholdelse af den forudbestemte form.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kende tegnet ved, at det porøse emne bevæges.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kende- 20 tegnet ved, at oxygenhydrogenbrænderen bevæges.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kende tegnet ved, at mængden af gasser fra oxygenhydrogenbrænderen reguleres til opretholdelse af den forudbestemte form.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kende tegnet ved, at både det porøse emne og oxygenhydrogenbrænderen bevæges.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kende tegnet ved, at en korrelation mellem en funktion, 30 der tilnærmelsesvis repræsenterer formen af en påføringsflade på enden af det porøse emne, med afstanden i radial retning fra midten af påføringsfladen som variabel, og en funktion, der repræsenterer brydningsindeks-fordelingen i radial retning af det optiske fiberemne, 35 med afstanden i radial retning fra midten af det optiske fiberemne som variabel, bestemmes, og at den op- DK 158894 B ίο ft timale form af påføringsfladen på basis af korrelationen mellem de to funktioner bestemmes, hvorhos processen udføres således, at påføringsfladen har den optimale form.

8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved det yderligere frem-gangsmådetrin, at det porøse optiske fiberemne konsolideres til dannelse af et optisk forformet fiberemne.