CH615274A5

CH615274A5 -

Info

Publication number: CH615274A5
Application number: CH580977A
Authority: CH
Inventors: James Emanuel Goell; Gary Wayne Bickel; Charles Kuen Kao; Mokhtar Sayed Maklad
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1980-01-15
Also published as: FR2351401B1; IT1077930B; CA1065643A; JPS5737020B2; JPS534554A; NL7705055A; GB1519121A; FR2351401A1; ES458735A1; AU505471B2; AU2503777A; ZA771746B; BR7701078A; US4081258A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Dämpfungskennlinien von Lichtleitfasern während deren Herstellung, sowie eine Anordnung zur Ausführung des Verfahrens.

Bisher ist keine Methode bekannt, mittels welcher die ()5 Dämpfungskennlinie einer optischen Faser während des Herstellungsprozesses ermittelt werden könnte. Der Einsatz von Lichtleitfasern in Nachrichtenübermittlungssystemen zwingt jedoch die Hersteller bzw. die Benützer, Angaben über Kabeldämpfungen bekanntzugeben bzw. zu kennen. Diese Angaben können auch zur Kontrolle des Ziehprozesses bei der Herstellung der Faser verwendet werden. Indem die Kabeldämpfung einer bestimmten Faser bekannt ist, ist es auch möglich, diese Faser nicht einzusetzen, wenn ihre Dämpfungskennlinien für den bestimmten Verwendungszweck kritisch erscheinen würden. Die Überwachung der Dämpfungskennlinien hat sich so zu einer wichtigen Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Lichtleitfasern entwickelt.

Um eine Faser aus einem Faserrohling herunterziehen zu können, muss der Rohling durch Erhitzen auf hohe Temperatur weichgemacht werden. Diese Temperatur beträgt mindestens 2 000° C, wobei der erhitzte Teil des Faserrohlings eine Grau-strahler-Lichtquelle bildet. Ein Teil des Lichtes aus dieser Quelle wird durch den bereits heruntergezogenen Teil der Faser übertragen. Dieses Licht ist genau derselben Dämpfung unterworfen wie ein durch die Faser ausgesandtes Licht einer beliebigen andern Lichtquelle. Indem nun das vorlaufende Ende (d.h. der Anfang) der heruntergezogenen Faser in eine bestimmte Lage in Bezug auf einen optischen Detektor gebracht wird,

kann das aus dem erwähnten vorlaufenden Faserende austretende Licht vom Graustrahler als eine Funktion der Faserlänge bzw. eine Funktion der Zeit aufgezeichnet oder beobachtet werden. Diese Aufzeichnung oder Beobachtung stellt eine Messung der Dämpfung in der durch die spektrale Lichtverteilung des Graustrahlers definierten spektralen Region, der spektralen Empfindlichkeit des Detektors, des spektralen Übertragungsfaktors eines eventuell mit dem Detektor zusammen verwendeten Filters und, in einem beschränkten Masse, der spektralen Übertragung der Faser dar.

In einer Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird das vorlaufende Ende einer gerade gezogenen Faser in der Nähe einer grossflächigen Siliciumphotodiode befestigt, indem dieses präparierte Faserende durch eine Öffnung im Diodengehäuse durchgezogen wird. Durch die vorgenommenen Messungen wurde festgestellt, dass über ähnliche Längen der gerade gezogenen Faser genügend Licht durch diese Faser übertragen wird, um die optische Dämpfung in der getesteten Faser bestimmen zu können. Das Ansammeln der erzeugten Faser war hierbei frei, d.h. es wurde keinerlei Aufnahmevorrichtung verwendet.

Sollte eine Aufnahmevorrichtung verwendet werden, beein-flusst dies die Form der Messausrüstung. Bei Verwendung sich nicht drehender Speichereinrichtungen, z.B. bei Speichertanks, bei Ansammeln des Faserkabels auf dem Boden, bei losen Spulen, usw. kann eine relativ einfache Ausrüstung verwendet werden mit einer Faserhalter- und einer Klemmvorrichtung, welche das vorlaufende Ende der Lichtleitfaser im Detektorgehäuse haltern ; das Detektorgehäuse kann auch ein zwischen dem Ende der Faser und dem Detektor angebrachtes Filter halten. Das aus dem Detektor austretende Signal wird verstärkt und an ein Messgerät und einen Streifenblattschreiber angelegt.

Wird zur Speicherung der Faser ein sich drehender Mechanismus, wie z.B. eine Trommel oder eine Spule, verwendet,

dann muss die Welle oder Spindel dieser Trommel oder Spule mit einem Eingangsschlitz versehen sein, durch welchen das vorlaufende Ende der Lichtleitfaser durchgesteckt wird; dieses Ende befindet sich dann in der sich drehenden Welle oder Spindel in der Nähe eines Filters oder einer Glasplatte, welche sich wiederum in der Nähe der aktiven Zone eines in einer fixierten Lage befestigten Detektors befinden. Das derart erhaltene Signal wird verstärkt, gemessen oder registriert.

Anstatt der erwähnten Lichtquelle, nämlich der aus dem Abziehkegel ausgehenden thermischen Ausstrahlung kann auch ein Laserstrahl oder ein aus einer gefilterten Lichtquelle stammender, auf ein entsprechend präpariertes Ende des Faserrohlings gerichteter Lichtstrahl verwendet werden. Dies ermöglicht

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eine ausgeklügeltere Erfassungstechnik mit synchroner oder Einfangsdetektion.

Das beschriebene Verfahren kann zu Qualitätskontrollmessungen oder zur Kontrolle der Abziehgeschwindigkeiten oder der Temperatur verwendet werden, um einheitliche Dämp- , fungsbedingungen einer Lichtleitfaser während ihres Herstellungsvorganges erreichen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Anordnung zur Durch-führung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 einen Teil einerweitern Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 3 einen Teil einer weitern Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, 15

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsmöglichkeiten von Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Teil einer drehbaren Spindel im Aufriss, welche in den Anordnungen gemäss Fig. 2 und 3 verwendbar ist, >0

Fig. 7 eine Draufsicht der Anordnung gemäss Fig. 6, und Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

In Fig. 1 wird eine heruntergezogene Lichtleitfaser 10 auf einer Faserträgervorrichtung 12 durch eine Klemmvorrichtung js 14 befestigt, derart, dass das präparierte Faserende 15 im Photodetektorgehäuse 16 zu liegen kommt. Die Öffnung 18,

durch welche das Faserende 15 durchgeschoben wird, ist so ausgelegt, dass das einzige durch den Detektor 22 wahrgenommene Licht nur jenes durch die Faser 10 übertragene ist. w

Wie bereits vorher erwähnt, wird durch die zur Reduzierung der Viskosität des nicht gezeigten Faserrohlings benötigte Temperatur von mindestens 2 000° C eine Graustrahler-Lichtquelle erzeugt, deren Licht durch die Faser 10 während ihrer Herstellung übertragen wird. Das vom Graustrahler emittierte Licht is wird durch ein (eventuell vorhandenes) Filter 20 an den Detektor 22 weitergeleitet, welcher dieses Licht auf bekannte Weise in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses elektrische Signal erscheint an der Leitung 24 und wird über diese einem Verstärker 26 zugeführt. Oft genügt es, ein Millivoltmeter als Signal- 4« Verstärker einzusetzen. Das verstärkte Signal gelangt dann über die Leitung 28 an ein Messgerät 30 oder einen Streifenblattschreiber 32. Es können aber auch andere Auswertevorrichtungen eingesetzt werden.

Die beschriebene Anordnung gemäss Fig. 1 wird dann ver- 45 wendet, wenn die Faser 10 auf keine drehbare Spule oder Trommel aufgerollt wird. Wo also ein Ansammeln, oder eine Ablagerung, der fertigen Faser auf dem Boden, in einem Tank oder in losen Spulen stattfinden, ist es möglich, die Faser 10 während deren Herunterziehen in einer fixierten Position zu 5u halten. Bei Fig. 2 wird vorausgesetzt, dass die Lichtleitfaser 34 auf eine Spule oder eine Trommel aufgerollt wird, welche eine Welle 36 aufweist ; während die nicht gezeigte Spule oder Trommel die heruntergezogene Lichtleitfaser aufnimmt, dreht sich die Welle 36. Das vorlaufende Ende der Faser 34 wird durch einen Eingangsschlitz 38 der Welle 36 in eine sich in der Mitte der Welle befindende Bohrung eingeführt. Die Welle 36 ihrerseits ist in einem Lager 40 gelagert. Am Ende der Trägerregion 39 kann sich ein Filter oder eine Glasplatte 42 befinden. Ein sich nicht drehender, d.h. fixer, Detektor 44 wird so ange-bracht, dass sein aktiver Bereich 45 dem Filter benachbart ist, so dass er das über die Faser 34 übertragene Licht empfangen und es in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Dieses Signal wird dann, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt, einem Verstärker oder einem Schreiber zugeführt. ()5

Die Fig. 6 und 7 zeigen Ansichten eines Konstruktionsteils, der in den Anordnungen gemäss den Fig. 2 und 3 Verwendung findet. (Die Anordnung in Fig. 3 wird nachstehend beschrieben.) Eine sich drehende Welle 130 enthält einen Eingangsschlitz 132, in welchen das präparierte, vorlaufende Ende einer Lichtleitfaser eingefügt und in den hohlen Wellenteil 134 der Welle 130 hineingeschoben wird. Zwei um einen Querstift 140 drehbar gelagerte Arme 138 tragen eine Klemmvorrichtung 136. Die Klemmvorrichtung enthält ein Querglied 142 und ein weiteres, genaues Klemmglied 144, welches einen ähnlichen Querschnitt aufweist wie der Bodenteil der den Eingangsschlitz bildenden Fläche 132. Eine zwischen zwei Bolzen 148 und 150 gespannte Feder 146 übt einen Druck aus, um die Lichtleitfaser während des Betriebs der Anordnung in festgeklemmter Lage zu halten. Das Wellenende 152 der Welle 130 wird durch die Trommel angetrieben, auf welche die Lichtleitfaser aufgerollt wird.

Die Fig. 3 zeigt ausführlicher eine Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Sie enthält eine Aufnahmespule 48, auf welche die Faser 34 aufgerollt wird. 50 ist ein Teil des Aufnahmespulenantriebs. Die mit einer zentralen Bohrung versehene Spindel 52 weist einen Eingangsschlitz auf. Die zentrale Bohrung ist auf einer Seite durch ein Filter 58 geschlossen. Die Spindel 52 ist in einem Kugellager 56 drehbar gelagert, welches seinerseits in einem Gehäuse 54 sitzt. Gegenüber dem Filter 58 ist ein Detektor 60 angebracht, welcher das über die Faser 34 übertragene Licht empfängt. Wie bereits vorher, werden die Lichtsignale im Detektor in elektrische Signale umgewandelt, dann verstärkt und schliesslich gemessen oder einem Registriergerät zugeführt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine Faser 62, angebracht in einer sich drehenden, hohlen Welle 64, an deren Ende ein Filter 66 vorhanden ist, welches das hohle Ende abschliesst, überträgt einen Lichtstrahl. Gegenüber dem Filter ist eine Photodiode 68 befestigt und empfängt das über die Faser übertragene Licht. Die Photodiode weist eine Kathoden-, eine Schutzring- und eine Anodenverbindung 72 bzw. 74 bzw. 76 auf. Die Vorrichtung wird über einen regulierbaren Widerstand 78 aus einer Energiequelle 80 gespeist. Über Leitungen 82 wird das Signal an ein Millivoltmeter 84 weitergeleitet, welches als Verstärker dient. Über Ausgangsleitungen 85 gelangt das verstärkte Signal an einen Streifenblattschreiber 86, auf dessen Streifenblatt 88 das aufgzeichnete Signal 89 sichtbar ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung mit einer Faser 90 in einer hohlen Welle 92, an deren Ende ein Filter 94 in der Nähe eines Photospannungs-Detektors 96 angebracht ist. Das vom Detektor 96 erzeugte Signal ist direkt analog zum durch die Faser 90 übertragenen Licl.tsignal und wird an den Eingang eines Funktionsverstärkers 100 angelegt. Das Ausgangssignal aus diesem Verstärker wird an ein Voltmeter 104 mit logarithmischer Skala weitergeleitet. Das Ausgangssignal aus dem Voltmeter tritt in den Streifenblattschreiber 108 ein. Die Geschwindigkeit des Streifenblattschreibers kann durch ein Gleichstromsignal aus der Abzugsgeschwindigkeitssteuerung 112 der Faser zusätzlich gesteuert werden, indem das Signal von 112 in einem spannungsgesteuerten Oszillator 114 verarbeitet und über Leitungen 116 dem Schreiber 108 zugeführt wird. Am Streifenblatt 110 sind zwei Aufzeichnungen 120 bzw. 122 von Dämpfungskennlinien einer längern und einer kürzern Faser sichtbar. Den Ausgang der Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens müssen jedoch nicht nur Messgeräte oder Streifenblattschreiber bilden. Da das Ausgangssignal in einem direkten Zusammenhang mit der optischen Dämpfung der Faser steht, kann dieses zur Steuerung eines der Betriebsparameter beim Faserziehungsprozess dienen, d.h. der Abzugsgeschwindigkeit, der Temperatur, usw. Die Aufzeichnungsspur des Schreibers gibt einen direkten Aufschluss über die Faserdämpfung als Funktion der Zeit und folglich der Länge der gezogenen Faser. Die Steilheit der aufgezeichneten Kurve gibt ein direktes Mass der Dämpfungskennlinien der Lichtleitfaser

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und bildet also ein wirkungsvolles Instrument der Qualitätskontrolle. Die bleibende Aufzeichnung der Dämpfungskennlinie einer bestimmten Faser ermöglicht Anpassungen einer Anzahl von Fasern aneinander, was die Dämpfung anbelangt. Es können auch Fasern oder Faserteile mit einer vorausbestimmten Dämpfungskennlinie für bestimmte Anwendungszwecke ausgesucht werden.

Wie bereits in der Einleitung erwähnt wurde, kann sowohl die thermische Ausstrahlung des Abzugskegels des Faserrohlings als Graustrahler als auch ein Laser oder ein gefiltertes Licht als Lichtquelle verwendet werden, deren Strahlen auf ein entsprechend präpariertes Ende des Faserrohlings gerichtet werden. Bei Verwendung der zwei letztgenannten Lichtquellen kann dann eine ausgeklügeltere Detektor-Anordnung als die bisher angegebenen verwendet werden.

Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Ein Modulator und Treiber 154 erzeugt ein Signal, welches an eine Lichtquelle 156, bestehend aus einer lichtemittierenden Diode oder einem Laser, weitergeleitet wird. Das Licht aus der Lichtquelle wird auf das präparierte, der Lichtquelle benachbarte Ende eines Faserrohlings 158 ausgestrahlt. Ein moduliertes Lichtsignal wird folglich über den von einer Wärmequelle 160 erhitzten Faserrohling während des Herunterziehens auf eine Lichtleitfaser 162 übertragen. Die Faser wird dann auf eine Aufnahmevorrichtung aufgewickelt, welche gemeinsam mit einem Detektor in einem Gehäuse 164 angebracht ist. Das Ausgangssignal aus dem Detektor wird über die Leitungen 166 einem Eingangsverstärker 168 zugeführt. Über Leitungen 170 erhält dieser Verstärker auch ein Referenzsignal vom Modulator und Treiber 154. Das Ausgangssignal des Verstärkers 168 wird in ein Voltmeter 172 mit logarithmischer Skala gespeist und, falls gewünscht, einer Auswertevorrichtung zugeführt, wie z.B. einem Streifenblattschreiber 174.

In einer weitern, nicht gezeigten, Ausführungsform der Anordnung wird das präparierte Ende einer heruntergezogenen Lichtleitfaser auf einer sich drehenden Haltevorrichtung montiert, so dass es einmal in einer Umdrehung am Detektor vorbeigeht. Als Ausgangssignal gibt dann der Detektor jeweils eine einem Gleichstromsignalpegel überlagerte Impulsspitze ab. Dieser Gleichstromsignalpegel ist auf das Hintergrundlicht zurückzuführen. Die Dämpfung kann nun aufgrund eines Vergleichs der Höhe der Impulsspitzen mit dem Hintergrund ermittelt werden. Das Ziel in allen hier beschriebenen Fällen ist es, ein Signal abzuleiten, welches dann einer Auswertevorrichtung,

wie z.B. einem Messgerät, einem Schreiber, einem Steuergerät, usw. zugeführt werden kann.

Es wurden Messungen vorgenommen, an einer Anordnung gemäss Fig. 1 mit einer Silicium-Photodiode samt Steuerung (zusammengefasste Detektortechnologie), in deren Gehäuse das vorlaufende, präparierte Faserende eingeführt wurde. Es wurde keine Faser-Aufnahmevorrichtung verwendet, das Ansammeln der Faser fand am Boden statt. Es handelt sich hierbei um eine kunststoffummantelte Faser. Für die Berechnungen wurden Daten aus der Messung verwendet, aus welcher hervorging dass genügend Licht im übertragenen Spektralbereich vorhanden war, um eine angemessene Erfassung zu gewährleisten. Die Messung wurde wiederholt, wobei verschiedene Filter und Detektoren zur Verwendung kamen, z.B. wurde ein Photoelektronen-Vervielfacher anstatt der Silicium-Photodiode eingesetzt. Eine Messung an einer kunststoffummantelten Faser ergab z.B. ein Signal gemäss der Aufzeichnung 89 in Fig. 4. Berechnungen zeigten, dass diese Faser eine hohe Dämpfung aufwies. Die Abzugsgeschwindigkeit der Faser betrug 23 m pro Minute, während die Schreibergeschwindigkeit bei ungefähr 2,5 cm pro Minute gehalten wurde, so dass die Aufzeichnungsspur 23 m pro 2,5 cm betrug. Die Totallänge der Faser war 0,306 km. Das Signal bei Länge Null (d.h. am Anfang) war 0,305 Volt und am Ende, d.h. bei 0,306 km, 0,010 Volt. Die

Auswertung der Dämpfungsleichung ( ° ) ergab eine Dämp-

°L

fung von 14,8 db auf die Gesamtlänge oder eine Totaldämpfung von 48,5 db pro Kilometer.

Bei dem Herunterziehen einer Faser mit kleiner Dämpfung, wobei die Abzugsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit der Aufzeichnungsspur des Schreibers dieselbe war wie die vorher erwähnte, ergab die Messung und nachfolgende Berechnung, dass die hergestellte Faser eine Dämpfung von 11,8 db pro Kilometer aufwies.

Erwähnenswert ist noch, dass bei der Bildung von Blasen oder bei andern Mängeln, die während des Herunterziehens der Faser auftreten könnten, die Lichtübertragung beeinflusst wird. Diese Mängel können sofort am Messgerät oder am Streifenblatt des Schreibers erkannt werden, als abrupte Änderung in der Dämpfungskennlinie. Dies ist also als weiterer Vorteil der Erfindung zu nennen, da Mangelstellen im Rohling oder in der heruntergezogenen Faser sofort angezeigt werden.

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3 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Überwachung der Dämpfungskennlinien von Lichtleitfasern während deren Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass während des Herunterziehens der Faser von einem Faserrohling das vorlaufende Ende (15) der Faser (10) in s der Nähe eines Detektors (22) angebracht wird, dass Licht entlang der Faser zum Detektor übertragen wird, und dass das Ausgangssignal des Detektors an Auswertevorrichtungen (30, 32) weitergeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ln dass die Auswertevorrichtung ein anzeigendes Messgerät (30) umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Auswertevorrichtungen einen Streifenschreiber (32) umfassen, welcher die Lichtübertragungskennlinie (89, Fig. 4) 1S der Faser beim Herunterziehen derselben als Funktion der Faserlänge aufzeichnet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass als Licht die durch die Erhitzung des Faserrohlings auf die Herunterziehtemperatur erzeugte Wärmestrahlung verwendet Ju wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass als Lichtquelle ein Laser dient, dessen Strahlen auf jenes Ende des Faserrohlings gerichtet sind, welches dem durch das Ziehen verjüngten Ende gegenüberliegt. js
6. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wärmequelle (160 Fig. 8) zur Erhitzung des Faserrohlings (158, Fig. 8) auf die Erweichungstemperatur des Rohlings, durch Mittel zum Herunterziehen des Rohlings zu einer Faser, durch eine Halterungsvorrich- M tung, welche das vorlaufende Faserende nach dem Herunterziehen in einer fixierten Lage hält, durch Mittel zur Umwandlung des durch die Faser übertragenen Lichtes in ein elektrisches Signal, welches sich als Funktion der Faserlänge und der Dämpfungskennlinie der Faser ändert, und durch Auswertevorrich- ,s tungen (30,32), welche das elektrische Signal auswerten.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

dass die Auswerteeinrichtungen Mittel zur Steuerung der Betriebsparameter der Abziehvorrichtung des Rohlings enthalten. 41)
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

dass eine unabhängige Lichtquelle (156, Fig. 8) vorhanden ist, deren Strahlen auf das freie Ende des Rohlings während des Herunterziehens der Faser gerichtet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 4S dass die Halterungsvorrichtung eine sich drehende Welle (130, Fig. 6) mit einer Bohrung (134), einem Eingangsschlitz (132) zum Einführen des vorlaufenden Faserendes in die Bohrung und Klemm-Mittel (136), welche das vorlaufende Faserende in der gewünschten Lage haltern, umfasst. so
10. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Modulator- und Treiberstufe (154, Fig. 8), welche eine Lichtquelle (156) derart steuert, dass ein moduliertes Lichtsignal erzeugt wird, durch Halterungsmittel, welche den Faserrohling in der Nähe des Ausgangs der Lichtquelle haltern, und 55 schliesslich durch Mittel (48 Fig. 3) zur Aufnahme der heruntergezogenen Faser.