DE2803589C2

DE2803589C2 - Vorrichtung zum Herstellen optischer Glasfasern und hierfür geeigneter Spinnofen

Info

Publication number: DE2803589C2
Application number: DE2803589A
Authority: DE
Inventors: Ken Kawanishi Hyogo Koizumi; Tetsuya Itami Hyogo Yamazaki
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1977-01-27
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1987-05-14
Also published as: FR2378724A1; NL189084B; NL7801037A; JPS5393847A; NL189084C; FR2378724B1; JPS5713503B2; DE2803589A1; GB1545748A; US4145200A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Glasfasern, die eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen können, mit zwei oder mehr Schmelztiegeln und mit an deren Boden koaxial angeordneten Auslaufdüsen unterschiedlicher Länge.
Der hier verwendete Ausdruck "optische Glasfasern" bezeichnet Glasfasern, die aus einem zylindrischen langgestreckten Kern und einem oder mehreren den Kern umgebenden Mänteln bestehen. Ein an einem Ende der optischen Glasfaser eintretender Lichtstrahl wird innerhalb des Kernes entlang der Längsrichtung der Faser übermittelt und verläßt das andere Ende.

Gemäß dem Stand der Technik werden optische Fasern mittels Vorrichtungen hergestellt, die zwei oder mehrere Schmelztiegel mit einer Düse zum Auslaufen einer Glasschmelze am Boden aufweisen, wobei die Auslaufdüsen koaxial angebracht sind. Dies ermöglicht das gemeinsame Verspinnen von Glasschmelzen unterschiedlicher Art. Falls beispielsweise eine optische Glasfaser mittels zweier Schmelztiegel hergestellt werden soll, werden ein großer und ein kleiner Schmelztiegel, von denen jeder eine Auslaufdüse am Boden besitzt, so angeordnet, daß der große Schmelztiegel den kleinen umgibt und die beiden Abgabedüsen koaxial verlaufen. Das den Kern bildende Glas wird dem inneren kleineren Schmelztiegel und das Mantelglas dem äußeren großen Schmelztiegel zugeführt. Der große Schmelztiegel wird von außen zum Schmelzen der Glasbeschickungen erhitzt, und die Schmelze für den Kern und die Schmelze für den Mantel fließen jeweils abwärts durch die koaxialen Düsen und werden hiervon unter Bildung einer Glasfaser abgezogen, die aus einem Kern und einem Mantel, die koaxial angeordnet sind, bestehen und entsprechend der Abnahmegeschwindigkeit einen Außendurchmesser von 100 µm bis 200 µm und einen Kerndurchmesser von 20 µm bis 100 µm besitzen.

Im Rahmen dieser Beschreibung werden optische Glasfasern mit einer stufenartigen Brechungsindexverteilung als "optische Fasern vom Stufentyp" (Stufenindexfasern) bezeichnet.

Wenn eine Brechungsindexverteilung vorliegt, bei welcher der Brechungsindex in der radialen Richtung allmählich abnimmt, wird von "optischen Fasern vom Fokussiertyp" (Gradientenindexfasern) gesprochen.

Aus der US-PS 37 53 672 ist ein Faserspinnprozeß nach der sog. Stab-Rohrmethode bekannt. Dabei wird nicht das Glas in Form von Stäben erst geschmolzen und dann versponnen, sondern das erweichte Glas direkt gezogen.

In der US-PS 37 91 806 ist die Herstellung optischer Fasern nach der Doppeltiegelmethode beschrieben, wobei der innere Tiegel gegenüber dem äußeren zurückgesetzt ist. Der Abstand zwischen innerem Tiegel und äußerem beträgt dabei mindestens 5 mm. Wenn, wie im Fall des Standes der Technik gemäß dieser Druckschrift, nur der Schmelztiegel, aber nicht die Düse erhitzt wird, bleibt die Düsentemperatur notwendigerweise unter der Schmelztiegeltemperatur. Es wird dann die Temperatur der durch die Düse strömenden Glasschmelze erniedrigt und ihre Viskosität erhöht. Dies macht es unmöglich, die Geschwindigkeit des Spinnens der Glasfasern zu erhöhen. Die Spinngeschwindigkeit beträgt beim bekannten Verfahren z. B. nur 8,5 oder 9,2 cm/min. Andererseits ist aber die Düse an dem bekannten Tiegel zu kurz, um sie alleine auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, ohne gleichzeitig die Temperatur im Schmelztiegel auf ein ungewolltes Maß zu bringen. Eine erhöhte Schmelztiegeltemperatur führt aber zum Diffundieren von Verunreinigungen aus dem Schmelztiegel in das Kernglas mit der Folge zunehmender Lichtabsorption im Glas. Weiterhin wird beim Erhitzen von kurzen Düsen mit einer Länge von weniger als 30 mm die Viskosität des hindurchströmenden Glases derart verringert, daß der Glasdurchfluß steigt. Dies verursacht Turbulenzen in der Strömung, so daß die hergestellte Glasfaser Schwankungen im Außendurchmesser, Kerndurchmesser und der Zentrierung des Kerns aufweist. Dies verschlechtert die Verbindungen zwischen den Enden der erhaltenen Lichtübertragungsfasern.

Um eine drastische Verringerung der Herstellungskosten zu erreichen, ist es besonders wichtig, die Geschwindigkeit des Spinnens der Glasfasern zu erhöhen. Neben der Möglichkeit, die Schmelztiegeltemperatur und damit die Glasviskosität zu erhöhen, was zu der vorgenannten Verunreinigung des Glases führt, gibt es noch die Methode des Vergrößerns des Durchmessers der Spinndüsen. Jedoch erfolgt dabei eine Abweichung oder Turbulenz in der Strömung der Glasschmelze im Düsenteil auf Grund des Einflusses der Konvektion der Glasschmelze innerhalb des Schmelztiegels. Dadurch ergibt sich zwangsläufig eine Variierung des Außendurchmessers der erhaltenen Faser oder des Durchmessers des Kernes und auch eine Exzentrizität des Kernes. Aus diesem Grunde ist die Verbindung der Fasern an ihrem Ende schlecht, und es ist schwierig, Übermittlungskanäle großer Länge aus derartigen Fasern zu konstruieren.

Die vorstehende Beschreibung richtet sich hauptsächlich auf die Herstellung optischer Fasern mittels einer Vorrichtung mit zwei Schmelztiegeln, gilt jedoch entsprechend auch für die Herstellung optischer Fasern mittels einer Vorrichtung mit drei oder mehr Schmelztiegeln. Bei drei Schmelztiegeln ist um die Anordnung aus zwei Schmelztiegeln noch ein äußerster Tiegel angeordnet und in diesen wird Glas mit einem höheren Brechungsindex oder einer höheren Lichtabsorption eingeführt. Dadurch wird eine optische Faser mit einer dreischichtigen Struktur durch drei koaxial am Boden der Schmelztiegel angebrachte Düsen gesponnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Glasfasern unter hoher Spinngeschwindigkeit anzugeben. Die Fasern sollen einen geringen Lichtverlust und nur geringe Schwankungen in ihren Außen- und Kerndurchmessern und in der Anordnung ihres Kerns aufweisen. Ferner soll die Vorrichtung es ermöglichen, die Temperatur des Schmelztiegels relativ niedrig zu halten und infolgedessen die Diffusion von Verunreinigungen aus dem Schmelztiegelmaterial in die Glasschmelzen weitgehend zu verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgebildet, daß die äußere Düse auf Grund ihrer Länge von mindestens 30 mm auf eine Temperatur erhitzt werden kann, die gleich oder ggf. auch höher ist als die Schmelztiegeltemperatur. In jedem Fall kann aber hier die Düsentemperatur so eingestellt werden, daß einerseits keine zu hohe Temperatur im Schmelztiegel erzeugt wird, was zu Turbulenzen in der durch die Düse geführten Glasströmung führen würde, und andererseits optische Glasfasern mit einer ausgezeichneten Dimensionsgenauigkeit erhalten werden. Vor allem aber ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hohe Spinngeschwindigkeit von beispielsweise 20 km/h, entsprechend 333 m/min, oder 15 km/h, entsprechend 250 m/min, wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Spinnofen;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Spinnofen mit direkter Düsenheizung durch Hochfrequenzinduktion;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Spinnofen mit direkter Düsenheizung mittels Starkstrom niedriger Spannung;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Spinnofen für optische Fasern mit einer Dreischichtstruktur;

Fig. 5(a) einen Querschnitt durch eine optische Faser aus einem Kern und einem Mantel;

Fig. 5(b) einen Querschnitt durch eine optische Faser mit einer Dreischichtstruktur; und

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Spinnofen für optische Fasern mit einer Dreischichtstruktur.

Die Erfindung wird zunächst anhand eines Spinnverfahrens mittels einer aus zwei Schmelztiegeln bestehenden Vorrichtung beschrieben, die in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt eines Hochgeschwindigkeitsspinnofens dar, der das äußere Erhitzen des Schmelztiegels in indirekter Weise durch einen elektrischen Ofen zeigt. In Fig. 1 besteht der Schmelztiegel aus einem äußeren Schmelztiegel 102 und einem inneren Schmelztiegel 107 und ist an einer bestimmten Stelle innerhalb des elektrischen Ofens eingesetzt. Der äußere Schmelztiegel 102 hat an seinem Boden eine zylindrische längliche metallische äußere Düse 101, die auf hohe Temperatur durch einen elektrischen Ofen 103 erhitzt wird. Andererseits wird der äußere Schmelztiegel 102 auf eine hohe Temperatur durch einen elektrischen Ofen 104 erhitzt. Die elektrischen Öfen 103 und 104 besitzen feuerfeste Materialien 106 und 106&min; und Erhitzer 105 und 105&min;, die von feuerfesten Materialien umgeben sind. Die Erhitzer 105 und 105&min; erzeugen die Wärme, indem sie elektrisch so gesteuert werden, daß die Temperaturen der äußeren Düse 101 und des äußeren Schmelztiegel 102 auf bestimmten Werten gehalten werden.

Der innere Schmelztiegel 107 ist innerhalb des äußeren Schmelztiegels so untergebracht, daß die innere Düse 112 am Boden des inneren Schmelztiegels koaxial zu der äußeren Düse 101 liegt.

Falls eine optische Glasfaser mit zwei Schmelztiegeln gesponnen werden soll, wird ein Glasstab 108 für den Mantel der Faser dem äußeren Schmelztiegel 102 zugeführt und darin erhitzt, so daß er die Schmelze 109 ergibt, welche nach abwärts durch die äußere Düse 101 fließt und am Ausgang 113 der Düse abgezogen wird. In gleicher Weise wird ein Glasstab 110 für den Kern der Faser in den inneren Schmelztiegel 107 eingeführt und darin erhitzt, so daß er eine Schmelze 111 ergibt, die durch die innere Düse 112 strömt und in der Glasschmelze 109 innerhalb der äußeren Düse 102 ausfließt. Sie bildet eine laminare Strömung und bewegt sich abwärts durch die Mitte der äußeren Düse und wird vom äußeren Düsenausgang 113 abgezogen. Anstelle der Glasstäbe 108 und 110 kann das Glas bereits im geschmolzenen Zustand den Schmelztiegeln zugeführt werden.

Bei der Herstellung von optischen Glasfasern vom Stufentyp wird eine Glasmasse mit einem relativ niedrigen Brechungsindex als Material für den Mantel und eine Glasmasse mit einem höheren Brechungsindex für den Kern gewählt. Die üblicherweise auf dem Fachgebiet angewandten Glaszusammensetzungen können auch als Materialien für den Mantel und den Kern eingesetzt werden. Beispiele für Mantelgläser sind Silikatglas, Borsilikatglas und Natron-Kalk-Glas, die einen Brechungsindex von 1,49 bis 1,54 besitzen. Geeignete Materialien für das Kernglas sind Silikatglas, Borsilikatglas und Natron- Kalk-Glas mit einem Brechungsindex von 1,50 bis 1,59.

Zur Herstellung von optischen Glasfasern vom Fokussiertyp werden Silikatgläser, die Alkalimetallionen mit einer geringen Änderung des Brechungsindex enthalten, beispielsweise mindestens eines der Elemente Li, Na, K, Rb und Cs, als Materialien für den Mantel verwendet. Für den Kern werden Gläser mit Metallionen mit einer starken Änderung des Brechungsindex, beispielsweise Thalliumionen, verwendet. Während des Spinnens diffundiert das Tl-Ion aus dem Kern in den Mantel, und das Alkalimetallion im Mantel diffundiert in den Kern, und zwar beide an der Grenzfläche zwischen dem Kernglas und dem Mantelglas. Im Inneren des Kernes der erhaltenen optischen Faser nimmt die Konzentration der Tl-Ionen fortschreitend ab und die Konzentration der Alkalimetallionen nimmt fortschreitend zu, und zwar von der Mitte aus in radialer Richtung. Auf Grund dieser Konzentrationsverteilung hat das Innere des Kernes eine solche Brechungsindexverteilung, daß der Brechungsindex fortschreitend von der Mitte radial nach außen abnimmt.

Von den Alkalimetallen bringt das Cs-Ion eine größere Änderung des Brechungsindex als die anderen Alkalimetallionen. Aus diesem Grund kann eine optische Glasfaser vom Fokussiertyp auch durch Anwendung eines Cs-Ionen enthaltenden Glases als Kern und eines Glases, welches mindestens eines der Elemente Li, Na, K und Rb enthält, als Mantel hergestellt werden.

Allgemein wird Platin von hoher Reinheit als Material für den Schmelztiegel und die Düsen verwendet. Andere sehr wärmebeständige Materialien, wie Platin-Iridium-Legierungen, Quarzgläser, Aluminiumoxid, Wolfram und Molybdän, können gleichfalls eingesetzt werden.

Falls Platin auf eine Temperatur von mindestens 1200°C erhitzt wird, diffundieren Spuren von darin enthaltenen Verunreinigungen, insbesondere Eisenionen und Kupferionen, in die Glasschmelzen, und infolgedessen zeigt das Glas eine erhöhte Lichtabsorption. Da die Glasschmelzen während eines relativ langen Zeitraumes im Schmelztiegel verweilen, wird das Innere des inneren Schmelztiegels 107, welcher die Kernglasschmelze 111 aufnimmt, von der eine niedrige Lichtabsorption gefordert wird, und die Umgebung desselben günstigerweise bei einer ausreichend niedrigeren Temperatur als 1200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Glasbeschickung, jedoch unterhalb 1000°C, insbesondere bei etwa 850 bis etwa 950°C, gehalten.

Innerhalb der äußeren Düse 101 strömen die Glasschmelzen 109 und 111 abwärts als laminare Ströme. Jedoch besitzt lediglich die Mantelschmelze 109 direkten Kontakt mit der Wandoberfläche der erhitzten äußeren Platindüse. Da weiterhin die Verweilzeiten dieser Glasschmelzen in der äußeren Düse 101 relativ kurz sind, selbst wenn die verunreinigenden Ionen in die Mantelschmelze 109 diffundieren, endet die diffundierte Schicht mit der Mantelschmelze 109 und erreicht nicht die den Kern bildende Glasschmelze 111. Infolgedessen kann die Temperatur der äußeren Düse 101 höher als die Temperatur des Schmelztiegels sein, und selbst wenn die Temperatur der äußeren Düse beispielsweise 1200°C überschreitet, wird die niedrige Absorption der erhaltenen Glasfaser nicht verschlechtert. Somit kann die äußere Düse 101 auf eine Temperatur erhitzt und dort gehalten werden, die gleich oder höher als die Temperatur des Schmelztiegels ist. Günstigerweise wird sie bei einer Temperatur um mindestens 25°C, vorzugsweise mindestens 50°C, insbesondere 75 bis 150°C, höher als die Temperatur des Schmelztiegels gehalten. Vorteilhafterweise wird das Erhitzen so durchgeführt, daß die Temperatur der äußeren Oberfläche der äußeren Düse 101 mindestens 950°C, vorzugsweise mindestens 1000°C, insbesondere 1050°C bis etwa 1150°C, ist.

Es ist hierbei günstig, daß praktisch die gesamte äußere Düse in ihrer Längsrichtung auf die vorstehend angegebene Temperatur erhitzt wird. Jedoch ist dies nicht wesentlich und derjenige Teil der äußeren Düse, der nahe dem äußeren Schmelztiegel und/oder dem Ausgang ist oder die Umgebung der äußeren Düse kann eine Temperatur haben, die niedriger als die angegebene Temperatur ist. Ganz allgemein wird mindestens ein Teil der äußeren Düse, vorzugsweise mindestens der Mittelteil der äußeren Düse in ihrer Längsrichtung, auf eine Temperatur erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten, die gleich oder höher als die Temperaturen des Schmelztiegels ist. Falls der Teil der äußeren Düse, der bei der vorstehenden Temperatur gehalten wird, zu klein ist, besteht die Gefahr, daß ein Spinnen mit hoher Geschwindigkeit nicht erreicht wird. Deshalb sollten günstigerweise mindestens die Hälfte, vorzugsweise mindestens zwei Drittel, der Länge der äußeren Düse auf der vorstehend angegebenen Temperatur gehalten werden.

Der hier angewandte Ausdruck "Temperatur des Schmelztiegels" bezeichnet die Oberflächentemperatur der äußeren Wand des mit der äußeren Düse verbundenen äußeren Schmelztiegels, d. h. des mit 102, 203, 303, 405 und 603 in den Fig. 1 bis 4 und 6 bezeichneten äußeren Schmelztiegels, falls nichts anderes angegeben ist.

Die Strömungsgeschwindigkeit des durch die äußere Düse 101 abwärts strömenden Glases wird entsprechend dem Wasserheizwert, der Viskosität des Glases, der Form der Düse, d. h. dem Innendurchmesser und der Länge der Düse, u. dgl. geregelt. Es ist bekannt, daß die Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Viskosität des Glases und der Länge der Düse und proportional zur vierten Potenz des Innendurchmessers der Düse ist.

Allgemein nimmt bei den hohen Temperaturen, bei denen das Spinnen ausgeführt wird, die Viskosität des Glases auf eine Größenordnung von einem Zehntel ab, falls dessen Temperatur um etwa 100°C gesteigert wird. Das bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Glases um das 10-fache ansteigt, und anders ausgedrückt, die Spinngeschwindigkeit bei der Bildung optischer Fasern um das 10-fache zunimmt. Die erhitzte lange äußere Düse 101, die in der Fig. 1 gezeigt ist, dient zur Senkung der Viskosität der hindurchgehenden Schmelzströmung und erhöht stark die Strömungsgeschwindigkeit der Glasschmelze, während die Schmelze in Form einer laminaren Strömung gehalten wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Düse fließenden Glasschmelze nimmt proportional zur Länge der Düse ab, jedoch kann dieser Abfall durch eine geringe Erhöhung des Innendurchmessers der Düse ausgeglichen werden.

Falls die Länge der äußeren Düse 101 zu kurz ist, wird es schwierig, die äußere Düse allein auf die gewünschte hohe Temperatur zu erhitzen, ohne daß die Temperatur des Schmelztiegels auf eine unerwünscht hohe Temperatur erhitzt wird. Deshalb ist es empfehlenswert, die Länge der äußersten Düse auf mindestens 30 mm einzustellen. Es gibt keine bestimmte obere Grenze hinsichtlich der Länge der äußeren Düse. Falls jedoch deren Länge zu groß wird, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der hindurchfließenden Glasschmelze markant ab und ein Spinnen mit hoher Geschwindigkeit ist schwierig zu erreichen. Im allgemeinen ist es günstig, wenn die Länge der äußeren Düse 2000 mm nicht überschreitet. Vorteilhafterweise liegt die Länge der äußeren Düse innerhalb des Bereiches von 50 bis 1500 mm, insbesondere bei 100 bis 1000 mm.

Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Ausdruck "Länge der Düse" die Länge der Düse von ihrem einen am Boden des Schmelztiegels befestigten Ende bis zu ihrem vorderen Ende entlang der Düsenachse.

Der Innendurchmesser der äußeren Düse (äußere Düse 101 in Fig. 1) ist nicht kritisch und kann innerhalb eines weiten Bereiches je nach der Art des Glasmaterials, der Erhitzungstemperatur, dem gewünschten Durchmesser der Glasfaser u. dgl., geregelt werden. Es ist zumindest notwendig, daß die Glasschmelze in Form einer laminaren Strömung hindurchströmt. Es ist vorteilhaft, wenn der Innendurchmesser der äußeren Düse 3 bis 50 mm, vorzugsweise 4 bis 30 mm, insbesondere 5 bis 20 mm, beträgt. Aus dem gleichen Grund wie vorstehend wird das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der äußeren Düse innerhalb eines Bereiches von 3 bis 100, vorzugsweise von 5 bis 60, insbesondere von 10 bis 50, gewählt.

Die innere Düse kann so gestaltet sein, daß der Ausgang 114 in das Innere der äußeren Düse 101, wie z. B. in Fig. 3 gezeigt, geöffnet ist, sofern sie koaxial mit der äußeren Düse angebracht ist. Oder sie kann so gestaltet sein, daß ihr Ausgang 114 in das Innere des äußeren Schmelztiegels 102 vor dem Erreichen des Einlasses der äußeren Düse 101 geöffnet ist, wie in den Fig. 1 oder 2 gezeigt. Im ersten Fall kann der Ausgang der inneren Düse auf der gleichen Höhe wie der Ausgang der äußeren Düse angebracht sein. Falls jedoch die innere Düse zu lang ist, werden verschiedene Nachteile verursacht. Wenn beispielsweise die äußere Düse auf hohe Temperatur erhitzt wird, wird entsprechend die innere Düse der hohen Temperatur ausgesetzt und dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, daß Verunreinigungen aus dem Material der inneren Düse in die kernbildende Glasschmelze diffundieren, erhöht. Bei der Herstellung von optischen Glasfasern mit einer allmählichen Brechungsindexverteilung wird keine ausreichende Zeit zum Kontakt zwischen der kernbildenden Glasschmelze und der mantelbildenden Glasschmelze zum Ionenaustausch erhalten. Allgemein ist es günstig, wenn sich der Ausgang der inneren Düse an einer Stelle etwa an der Hälfte der Länge der äußeren Düse oder an einer Stelle näher zum Schmelztiegel, vorzugsweise an einer Stelle von ein Drittel der Länge der äußeren Düse oder einer Stelle näher dem Schmelztiegel befindet. Besonders günstig ist es, wenn der Ausgang der inneren Düse an einer Stelle nahe dem Einlaß der äußeren Düse liegt. Wenn der Ausgang der inneren Düse in das Innere des äußeren Schmelztiegels geöffnet ist, ist der Abstand zwischen dem Ausgang der inneren Düse und dem Eingang der äußeren Düse nicht kritisch. Vorteilhafterweise ist dieser Abstand auf nicht mehr als 20 mm, vorzugsweise nicht mehr als 10 mm, und insbesondere nicht mehr als 5 mm, eingestellt.

Der Innendurchmesser der inneren Düse ist nicht stark beschränkt, sofern er kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Düse ist. Das Verhältnis des Innendurchmessers der äußeren Düse zu demjenigen der inneren Düse liegt günstigerweise innerhalb des Bereiches von 10 : 9 bis 10 : 1, vorzugsweise 10 : 8 bis 10 : 2, insbesondere 10 : 7 bis 10 : 3. Der Außendurchmesser der inneren Düse muß kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Düse sein, insbesondere wenn die Innendüse innerhalb der äußeren Düse untergebracht ist. Obwohl von der Dicke des für die optische Glasfaser erforderlichen Mantels abhängig, ist der Außendurchmesser der inneren Düse mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm, kleiner als der Innendurchmesser der äußeren Düse.

Die abwärts durch die Düse strömende Glasschmelze wird am Ausgang 113 der äußeren Düse 101 aufgenommen. Bei dieser Aufnahme wird die Glasschmelze rasch in der Umgebung des Ausgangs 113 verengt. Somit wird, wie bekannt ist, der Durchmesser der erhaltenen Faser durch die Aufnahmegeschwindigkeit bestimmt. Falls die Aufnahmegeschwindigkeit niedrig ist, kann eine Glasfaser mit einem relativ großen Durchmesser erhalten werden. Falls die Aufnahmegeschwindigkeit höher ist, kann eine optische Glasfaser mit einem kleineren Durchmesser erhalten werden.

Die in dieser Weise hergestellten optischen Glasfasern haben die in Fig. 5(a) gezeigte Querschnittsform.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das Erhitzen des Schmelztiegels und der Düsen durch einen elektrischen Ofen beschrieben. Das Erhitzen ist nicht auf die Anwendung eines elektrischen Ofens beschränkt. Eine Hochfrequenzinduktionsheizung und eine elektrische Widerstandsheizung sind gleichfalls möglich. In den Fig. 2 und 3 sind diese anderen Heizungen erläutert. Falls keine spezielle Beschreibung gegeben wird, gilt dort die gleiche Beschreibung wie für Fig. 1.
Fig. 2 stellt einen Schnitt eines Hochgeschwindigkeitsspinnofens dar, welcher das direkte Erhitzen des Schmelztiegels und der Düsen durch Hochfrequenz zeigt. Eine zylindrische, langgestreckte äußere Düse 201 aus einem Metall, wie Platin, erzeugt Wärme durch Induktion, welche durch einen elektrischen Hochfrequenzstrom in der Wicklung 202, die die Düse 201 umgibt, erzeugt wird. Diese Induktionserhitzung ist sehr wirksam und macht es relativ leicht, die Temperatur der Düse bei mehr als 1200°C zu halten. Ein äußerer Platinschmelztiegel 203 wird in gleicher Weise mit einer Wicklung 204 durch Hochfrequenzinduktion erhitzt.
Fig. 3 stellt einen Schnitt eines Hochgeschwindigkeitsspinnofens dar, der das direkte Erhitzen der Schmelztiegel und Düsen durch einen Starkstrom von niedriger Spannung zeigt. Eine zylindrische längliche äußere Düse 301 aus einem Metall, wie Platin, erzeugt Wärme, wenn ein Starkstrom von niedriger Spannung durch dieselbe über die beiden Elektroden 302 fließt, die etwa an den oberen und unteren Enden der Düse 301 angebracht sind. Diese direkte Widerstandsheizung hat einen hohen Wärmeeffekt, erlaubt leicht eine genaue Kontrolle der Temperatur und kann einfach hohe Temperaturen von mindestens 1200°C erreichen. Ein äußerer Platinschmelztiegel 303 wird in gleicher Weise elektrisch durch zwei Elektroden 304 erhitzt.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf zwei Schmelztiegel. Jedoch kann in gleicher Weise die Herstellung von optischen Glasfasern mit mehr Schmelztiegeln erfolgen. Nachfolgend wird der Einsatz von drei Schmelztiegeln beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung mit drei Schmelztiegeln zur Herstellung von optischen Glasfasern mit niedriger Lichtabsorption. Die Vorrichtung besteht aus einem inneren Schmelztiegel 401 mit einem Glas 402 mit geringer Lichtabsorption für den Kern, einem mittleren Schmelztiegel 403 mit einem Mantelglas 404 mit gleichfalls niedriger geringer Absorption, welcher den inneren Schmelztiegel umgibt, sowie einem den mittleren Schmelztiegel umgebenden äußeren Schmelztiegel 405 mit einem Glas 406 für eine Schutzschicht. Die drei Schmelztiegel sind so befestigt, daß die innere Düse 407, die mittlere Düse 408 und die äußere Düse 409 an den Böden der Schmelztiegel koaxial ausgebildet sind. Die Schmelztiegel und die Düsen werden bei bestimmten hohen Temperaturen durch einen elektrischen Ofen 410 gehalten. Durch Schmelzen der von oben eingeführten Glasmaterialien 402, 404 und 406 werden die Glasschmelzen innerhalb der Schmelztiegel bei bestimmten Wasserheizwerten gehalten. Diese Glasschmelzen werden zu optischen Glasfasern mit einer Dreischichtstruktur gezogen.
Der äußere Schmelztiegel 405 wird durch einen Träger 411 gehalten, und der Träger 411 und der elektrische Ofen 410 können ggf. an einem senkrecht bewegbaren Ständer 412 fixiert sein, der mit einem nicht gezeigten Mechanismus zur Feineinstellung ausgerüstet ist. Der innere Schmelztiegel 401 und der mittlere Schmelztiegel 403 sind an einem Träger (nicht gezeigt) aufgehängt, der oberhalb des Schmelztiegels angebracht ist. Die Glasmaterialien werden durch Zufuhrvorrichtungen (nicht gezeigt), die oberhalb des Schmelztiegels angebracht sind, zugegeben.
Das Glas zur Kernbildung und das Glas zur Mantelbildung können gleich sein, wie sie vorstehend beschrieben wurden. Beispiele für Gläser, die die Schutzschicht bilden, sind Silikatgläser, Borsilikatgläser und Natron-Kalk- Gläser. Al₂O₃ und ZnO können als Glasbestandteile zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit einverleibt sein.
Die äußere Düse 409 kann in der gleichen Weise erhitzt werden, wie vorstehend bei der aus zwei Schmelztiegeln bestehenden Vorrichtung beschrieben ist. Länge und Innendurchmesser der äußeren Düse und ihr Verhältnis von Länge und Durchmesser sind ebenso gleich wie vorstehend beschrieben.
Die Stellungen der Ausgänge 414 und 415 der mittleren Düse 408 und der inneren Düse 407 sind nicht kritisch und können frei gewählt werden. Im Extremfall können die Ausgänge 414 und 415 auf der gleichen Höhe wie der Ausgang 413 der äußeren Düse 409 liegen. Aus dem gleichen Grund wie vorstehend angegeben, beispielsweise um eine Abweichung oder Turbulenz der Strömung der Glasschmelze zu verhindern, ist jedoch der Ausgang 414 der mittleren Düse 408 günstigerweise gegenüber dem Ausgang 413 der äußeren Düse 409 zurückgesetzt. Vorzugsweise ist der Ausgang 414 mindestens an der Hälfte der Länge der äußeren Düse 409, insbesondere höchstens bei einem Drittel derselben nahe dem Schmelztiegel, angebracht. Die Länge der mittleren Düse ist günstigerweise so kurz wie möglich. Allgemein beträgt sie 1 bis 200 mm, vorzugsweise 2 bis 100 mm, insbesondere 3 bis 50 mm. Andererseits kann die innere Düse 407 so vorspringen, daß ihr Ausgang 415 in das Innere der äußeren Düse 409 oder, wie in Fig. 4 gezeigt, in das Innere der mittleren Düse 408 hineinragt. Oder in der gleichen Weise, wie vorstehend für zwei Schmelztiegel beschrieben ist, kann die innere Düse 407 so gestaltet sein, daß ihr Ausgang in den mittleren Schmelztiegel 403 hineinführt. Wenn der Ausgang 414 in das Innere der mittleren Düse 408 führt, ist es vorteilhaft, wenn der Ausgang 415 mindestens bei der Hälfte, vorzugsweise mindestens bei einem Drittel der Länge der mittleren Düse nahe dem Schmelztiegel, liegt.
Die Innen- und Außendurchmesser der mittleren Düse 408 und der Innendüse 407 sind nicht kritisch und können entsprechend den Eigenschaften der herzustellenden Glasfasern gewählt werden. Allgemein kann die innere Düse 408 einen Innendurchmesser von 2 bis 35 mm, insbesondere 5 bis 10 mm, und einen Außendurchmesser von 4 bis 40 mm, vorzugsweise 7 bis 15 mm, haben. Günstigerweise hat die Innendüse 407 einen Innendurchmesser von 2 bis 20 mm, vorzugsweise 3 bis 8 mm, und einen Außendurchmesser von 4 bis 25 mm, insbesondere 5 bis 10 mm.
Die in dieser Weise erhaltene optische Glasfaser hat die in Fig. 5(b) gezeigte Querschnittsform.
Bei den üblichen aus drei Schmelztiegeln bestehenden Vorrichtungen betragen die Längen sämtlicher Düsen weniger als einige Millimeter. Aus diesem Grund strömen bei der Herstellung von optischen Glasfasern mit geringer Absorption die Glasschmelzen ungleichmäßig oder turbulent in der Umgebung der Düsen. Dies führt zu Schwankungen im Außendurchmesser der optischen Fasern, im Durchmesser des Kernes und im Durchmesser des Mantels sowie zu einer exzentrischen Anordnung des Kernes und des Mantels. Infolgedessen wird die Verbindung der Faserenden schlecht, und es ist schwierig, Übermittlungskanäle über lange Entfernungen aufzubauen. Falls ferner eine Mehrwegübermittlung unter Anwendung dieser mangelhaften optischen Fasern ausgeführt wird, zeigt sich eine Neigung zum Wechsel des Lichtwegs, und trotz der Dreischichtstruktur nimmt der Lichtverlust zu oder es ändert sich das Übermittlungsband. Durch Wahl der Länge der äußeren Düse gemäß der Erfindung innerhalb des Bereiches von 30 bis 2000 mm, wie in Fig. 4 gezeigt, und Erhitzen der äußeren Düse auf eine hohe Temperatur innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches wird es möglich, die aus den Düsen strömenden Glasschmelzen zu einer vollständig laminaren Strömung zu vereinigen, und die vereinigte Strömung kann vom Ausgang der Düse des äußeren Schmelztiegels unter Bildung der gewünschten optischen Glasfasern abgezogen werden. Dadurch können Unregelmäßigkeiten in den Fasern oder eine turbulente Strömung der Schmelzen verhindert und optische Fasern mit einer hohen Dimensionsgenauigkeit über eine große Länge mit hohen Geschwindigkeiten erhalten werden. Durch eine größere Länge der äußeren Düse 409 kann der Innendurchmesser der äußeren Düse gegenüber üblichen Vorrichtungen erhöht werden. Eine Düse mit einem großen Innendurchmesser führt zu einer großen Produktionsgenauigkeit. Infolgedessen kann eine optische Faser mit nur geringen Schwankungen und mit einer guten Kreisform im Querschnitt in hoher Geschwindigkeit hergestellt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können optische Glasfasern mit einer Dreischichtstruktur, wie in Fig. 5(b) gezeigt, mit hoher Geschwindigkeit unter Anwendung einer modifizierten Form des Spinnofens hergestellt werden, der aus der vorstehend abgehandelten Vorrichtung mit zwei Schmelztiegeln und aus einer Hilfsdüse besteht. Das Prinzip dieser Vorrichtung ist in Fig. 6 gezeigt.
In Fig. 6 besteht die Vorrichtung aus zwei Schmelztiegeln mit einem inneren Schmelztiegel 601 und einem äußeren Schmelztiegel 603, die so angebracht sind, daß die am Boden dieser Schmelztiegel angebrachten Düsen koaxial angeordnet sind.
Ein Glas 602 mit geringem Lichtverlust für den Kern und ein Glas 604 mit geringem Lichtverlust für den Mantel werden kontinuierlich in den inneren Schmelztiegel 601 und den äußeren Schmelztiegel 603 eingeführt. Der innere und der äußere Schmelztiegel sind durch Träger (nicht gezeigt), die oberhalb der Schmelztiegel angebracht sind, aufgehängt und so fixiert, daß die Düsen koaxial angeordnet sind. In entsprechender Weise werden das Kernglas und das Mantelglas von Zufuhrvorrichtungen (nicht gezeigt), die oberhalb der Schmelztiegel angebracht sind, zugeführt. Die Vorrichtung aus zwei Schmelztiegeln wird bei einer bestimmten hohen Temperatur, beispielsweise durch einen elektrischen Ofen 605, gehalten. Die beiden Glasbeschickungen werden in die Glasschmelzen 610 und 611 mit bestimmten Wasserheizwerten überführt. Die Schmelze 610 fließt abwärts durch eine innere Düse 612, die am Boden des inneren Schmelztiegels angebracht ist. Am Boden des äußeren Schmelztiegels 603 ist eine lange zylindrische äußere Düse 613 koaxial zur inneren Düse 612 angebracht und wird durch einen elektrischen Ofen 605 erhitzt.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist die äußere Oberfläche der äußeren Düse 613 von einer Hilfsdüse umgeben. Die Bedingungen zum Erhitzen der äußeren Düse und für ihre Länge und ihren Innendurchmesser werden innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche gewählt.
Die Schmelzen 610 und 611 treffen koaxial in Form einer laminaren Strömung zusammen und gehen durch die äußere Düse 613 abwärts. An der äußeren Düse 613 mit einer Länge von mehr als 30 mm ist eine zylindrische Hilfsdüse 606 mittels eines Trägers 608 befestigt. Die Hilfsdüse 606 ist koaxial zur äußeren Düse 613 mittels eines senkrecht beweglichen Ständers 609 fixiert, der mit einem nicht gezeigten Mechanismus zur Feineinstellung ausgerüstet ist. Ein Glasmaterial 607 für die Schutzschicht wird durch den elektrischen Ofen 605 erhitzt und wird zu einer Schmelze 614, die dann kontinuierlich in die Hilfsdüse 606 von einer am oberen Teil der Hilfsdüse angebrachten Öffnung so zugeführt wird, daß sie bei einem bestimmten Wasserheizwert innerhalb der Hilfsdüse gehalten wird. Die Schmelze 614 für die Schutzschicht wird in Form einer laminaren Strömung mit den Glasschmelzen für den Kern und den Mantel vereinigt und von einem Ausgang am unteren Ende der Hilfsdüse 606 abgezogen, so daß eine optische Faser mit einer Dreischichtstruktur unter hoher Spinngeschwindigkeit gebildet wird.
Auf Grund der vorliegenden Erfindung wird es möglich, optische Fasern mit niedrigem Lichtverlust aus einem Mehrkomponentenglas mit hohen Spinngeschwindigkeiten, die einige 10 km je Stunde erreichen, mittels einer aus mehreren Schmelztiegeln bestehenden Vorrichtung mit einer langen zylindrischen Düse von spezifischer Länge am Boden des äußeren Schmelztiegels und durch Erhitzen der langen Düse zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Glases herzustellen. Dieses Verfahren kann kontinuierlich während langer Zeiträume durch kontinuierliche Zuführung von Glasmaterialien oder Schmelzen der Glasmaterialien von der Oberseite des Schmelztiegels ausgeführt werden. So kann eine optische Faser hergestellt werden, die einige 10 000 km je Jahr beträgt. Die auf Grund der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Fasern besitzen eine hohe Reproduzierbarkeit des niedrigen Lichtverlustes des Glasmaterials, da der Kern und das Mantelglas eine Verunreinigung durch Ionen aus dem Material, woraus die Düsen gebildet sind, vermeiden. Da die abwärts durch eine lange äußere Düse strömende Glasschmelze einen laminaren Strom bildet, sind der Außendurchmesser der erhaltenen optischen Faser, der Durchmesser des Kernes, die konzentrische Anordnung des Kernes und der Außendurchmesser der Faser sehr dimensionsgenau. Falls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung optische Glasfasern vom Fokussiertyp hergestellt werden, kann ein Dotierungsion in dem Kernglas mit dem Ion in dem Mantelglas während eines ausreichenden Zeitraumes durch Anwendung der langen Düse ausgetauscht werden. Infolgedessen können optische Breitbandfasern mit einem großen Kerndurchmesser erhalten werden. Optische Fasern vom Fokussiertyp mit einem großen Kerndurchmesser ermöglichen einen einfachen Eintritt von Lichtstrahlen oder können leicht miteinander verbunden werden und haben eine überlegene Anwendbarkeit in der Praxis.
Gemäß der Erfindung können die Düsen und die Schmelztiegel nach dem gleichen oder unterschiedlichen Verfahren erhitzt werden. Ferner ist es nicht notwendig, daß der Innendurchmesser der Düse über die gesamte Länge der Düse gleich ist. Die Düse kann vielmehr auch von einer Art sein, deren Innendurchmesser fortschreitend abnimmt. Andererseits kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Herstellung von optischen Fasern angewandt werden, sondern auch auf die Herstellung von Vorformen zum Ziehen optischer Fasern.
Die Erfindung ergibt auch optische Fasern mit Dreischichtstruktur, die stabile Mehrweg-Übermittlungseigenschaften und eine hohe Dimensionsgenauigkeit besitzen. Falls die äußere Düse eine Länge von mehr als 30 mm hat, kann die Schwankung des Außendurchmessers der optischen Fasern auf 1 µm oder weniger begrenzt werden. Da weiterhin die äußere Düse lang ist, können ihr Außen- und Innendurchmesser erhöht sowie die Verarbeitungsgenauigkeit und der konzentrische Aufbau verbessert werden. Die Anwendung eines reinen Platinschmelztiegels mit einer äußeren Düse mit einem Außendurchmesser von mindestens 10 mm ergibt optische Fasern mit einer Kreisförmigkeit von mehr als 99% und einer Kernabweichung von weniger als 1 µm. Infolgedessen können die in dieser Weise hergestellten optischen Fasern zu einem langen Lichtübertragungskanal von niedrigem Verlust nach einem einfachen Verfahren gebildet werden. Die auf Grund der Erfindugn herstellbaren Dreischichtstrukturen der optischen Fasern erlauben eine erhebliche Senkung der Menge des Mantelglases, das einen geringen Lichtverlust erfordert. Beispielsweise erfordert eine optische Faser aus einem Mehrkomponentenglas mit einem Kerndurchmesser von 60 µm und einem Außendurchmesser von 150 µm, falls es eine Zweischichtstruktur hat, etwa 37 kg Mantelglas je 1000 km. Wenn jedoch eine Dreischichtstruktur vorliegt und der Außendurchmesser des Mantels auf 100 µm gesenkt wird, nimmt die erforderliche Menge des Mantelglases auf 13 kg je 1000 km ab. Die Kosten zur Herstellung der optischen Fasern aus dem Mehrkomponentenglas werden durch die Kosten der Glasmaterialien bestimmt. Infolgedessen hat die Verringerung der Menge des Glases mit geringem Lichtverlust einen großen Einfluß auf die Verringerung der Kosten bei der Herstellung der optischen Fasern. Die Anwendung eines Materials mit einer guten Wasserbeständigkeit, Alkalibeständigkeit und Säurebeständigkeit für eine Schutzglasschicht, die die äußerste Schicht der Dreischichtstruktur bildet, wird bevorzugt, da dies es ermöglicht, daß die optischen Fasern eine gute Witterungsstabilität haben. Ferner wird, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Glases der Schutzschicht niedriger als derjenige des Mantelglases ist, eine Druckbeanspruchung in der Schutzschicht erzeugt, und die mechanische Festigkeit der optischen Fasern kann erhöht werden.
Falls die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von dreischichtigen optischen Fasern vom Fokussiertyp unter Anwendung der Diffusion eines Dotierungsions durch Ionenaustausch angewandt wird, wird die Düse des mittleren Schmelztiegels im Fall einer aus drei Schmelztiegeln bestehenden Vorrichtung oder die Düse des äußeren Schmelztiegels im Fall einer aus zwei Schmelztiegeln bestehenden Vorrichtung ausreichend lang gewählt, um eine ausreichende Diffusionszeit zur Ausbildung der gewünschten Verteilung des Brechungsindex sicherzustellen, wenn die Schmelzen des Kernglases und des Mantelglases koaxial zusammentreffen und abwärts strömen. So werden optische Glasfasern mit günstigen Verteilungen des Brechungsindex erhalten.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbaren optischen Glasfasern werden beispielsweise für Lichtübertragungskanäle zur Kommunikation oder für Lichtübertragungsleitungen zur Verarbeitung oder Steuerung von Informationen oder Signalen verwendet.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Unter Anwendung einer Vorrichtung mit indirekter Heizung, wie in Fig. 1 gezeigt, wurde eine optische Faser vom Stufentyp aus einem Natron-Borsilikatglas mit einer Viskosität von etwa 100 PA . s bei 970°C gesponnen. Es wurde ein Glas aus 55 Gew.% SiO₂, 20 Gew.% B₂O₃, 19 Gew.% Na₂O und 6 Gew.% CaO mit einem Brechungsindex von 1,533 als Material für den Kern und ein Glas aus 67 Gew.% SiO₂, 11 Gew.% B₂O₃ und 22 Gew.% Na₂O und mit einem Brechungsindex von 1,513 als Material für den Mantel verwendet. Der Spinnofen hatte eine äußere Düse 101 mit einer Länge von 50 mm und einem Innendurchmesser von 8 mm und eine innere Düse mit einem Außendurchmesser von 7 mm, einem Innendurchmesser von 6 mm und einer Länge von 25 mm, wobei die Spitze der inneren Düse 3 mm oberhalb des Eingangs der äußeren Düse lag. Die Temperatur des Schmelztiegels wurde bei 970°C, die Temperatur des mittleren Teiles der äußeren Düse auf 1050°C und die Temperatur ihres unteren Endes auf 1000°C gehalten. Eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 150 µm und einem Kerndurchmesser von 100 µm konnte mit einer Spinngeschwindigkeit von 15 km je Stunde unter diesen Bedingungen erhalten werden.
Das vorstehende Verfahren wurde wiederholt, wobei jedoch eine innere Düse mit einem Außendurchmesser von 9 mm und einem Innendurchmesser von 8 mm verwendet wurde, wobei die anderen Bedingungen die gleichen wie vorstehend waren. Es wurde eine äußere Düse mit einer Länge von 100 mm und einem Innendurchmesser von 10 mm verwendet. Es lagen die Temperatur des Schmelztiegels, die Temperatur der Mitte der äußeren Düse und die Temperatur des vorderen Endes der äußeren Düse jeweils bei 970°C, 1100°C und 1060°C, wodurch eine optische Glasfaser mit einem Außendurchmesser von 150 µm und einem Kerndurchmesser von 100 µm mit einer Spinngeschwindigkeit von 35 km je Stunde erhalten werden konnte. Niedrige Verlustwerte wurden sogar erhalten, wenn die innere Düse 112 durch eine Düse mit einem inneren Durchmesser von 3 bis 7 mm ersetzt und der Kerndurchmesser innerhalb des Bereiches von 20 bis 120 µm geändert wurde. Die Schwankungen des Außendurchmessers und des Kerndurchmessers betrugen weniger als 1%, die Exzentrizität zwischen Außendurchmesser und Kern betrug weniger als 1 µm.

Beispiel 2

Unter Anwendung einer Vorrichtung mit indirekter Heizung, wie in Fig. 1 gezeigt, wurde eine optische Glasfaser vom Fokussiertyp aus einem Natron-Borsilikatgrundglas mit einer Viskosität von etwa 100 Pa · s bei 950°C gesponnen. Die Glasmasse für den Kern hatte einen Brechungsindex von 1,533 und bestand aus 55 Gew.% SiO₂, 20 Gew.% B₂O₃, 18 Gew.% Na₂O und 7 Gew.% Ti₂O. Die Glasmasse für den Mantel hatte einen Brechungsindex von 1,513 und bestand aus 65 Gew.% SiO₂, 12 Gew.% B₂O₃ und 23 Gew.% Na₂O. Eine äußere Düse mit einer Länge von 500 mm und einem Innendurchmesser von 10 mm und eine innere Düse mit einem Außendurchmesser von 8 mm und einem Innendurchmesser von 6 mm wurden verwendet. Das vordere Ende der inneren Düse lag 3 mm oberhalb des Eingangs der äußeren Düse. Die Temperatur des Schmelztiegels betrug 950°C. Die Temperatur des mittleren Teils der äußeren Düse wurde bei 1080°C und die des unteren Endes bei 1030°C gehalten. Eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 150 µm wurde mit einer Spinngeschwindigkeit von 20 km je Stunde unter diesen Bedingungen erhalten. Der Kerndurchmesser der Faser betrug 50 µm. Die Verteilung des Brechungsindex im Inneren des Kerns war parabolisch, und es wurde ein Band von 1000 MHz je km erhalten.
Eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 75 µm, die durch Erhöhung der Temperatur der kernbildenden Glasschmelze in dem Schmelztiegel für den Kern erhalten wurde, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des kernbildenden Glases erhöht wurde, hatte ein Band von 400 MHz und zeigte einen niedrigen Verlust und eine gute Dimensionsgenauigkeit.

Beispiel 3

Unter Anwendung einer direkten Heizung mittels Hochfrequenz, wie in Fig. 2 gezeigt, wurde eine optische Faser vom Stufentyp aus einem Natron-Kalk-Glas mit einer Viskosität von etwa 100 Pa · s bei 1050°C gesponnen. Die Glasmasse für den Kern hatte einen Brechungsindex von 1,546 und bestand aus 66 Gew.% SiO₂, 15 Gew.% Na₂O und 19 Gew.% CaO, und die Glasmasse für den Mantel hatte einen Brechungsindex von 1,527 und bestand aus 68 Gew.% SiO₂, 17 Gew.% Na₂O und 15 Gew.% CaO. Es wurde eine äußere Düse mit einer Länge von 200 mm und einem Innendurchmesser von 10 mm verwendet. Die verwendete innere Düse hatte die gleiche Größe und Stellung wie in Beispiel 2.
Der Schmelztiegel wurde bei einer Temperatur von 1050°C gehalten und eine Hochfrequenz von 10 kHz bei 5 kW wurde an die äußere Düse angelegt, um den Mittelteil der äußeren Düse bei 1230°C und ihr unteres Ende bei 1120°C zu halten. Eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm, einem Außendurchmesser von 150 µm, einer guten Dimensionsgenauigkeit und einem niedrigen Verlust wurde unter diesen Bedingungen bei einer Spinngeschwindigkeit von 45 km je Stunde während langer Zeiträume erhalten.

Beispiel 4

Unter Anwendung einer direkten Widerstandsheizung, wie in Fig. 3 gezeigt, wurde eine optische Faser vom Stufentyp aus einem Natron-Kalk-Glas mit einer Viskosität von etwa 1000 Pa · s bei 1080°C gesponnen. Die Glasmasse für den Kern hatte einen Brechungsindex von 1,545 und bestand aus 68 Gew.% SiO₂, 14 Gew.% Na₂O und 18 Gew.% CaO. Eine Glasmasse für den Mantel hatte einen Brechungsindex von 1,525 und bestand aus 70 Gew.% SiO₂, 16 Gew.% Na₂O und 14 Gew.% CaO.
Ein Wechselstrom von 2 Volt und 300 Ampere wurde durch die äußere Düse mit einer Länge von 1000 mm und einem Innendurchmesser von 20 mm geführt, und die Temperatur des Mittelteils der Düse wurde bei 1250°C und die Temperatur ihres unteren Endes bei 1130°C gehalten. Der Schmelztiegel wurde bei 1080°C gehalten. Die verwendete innere Düse hatte einen Außendurchmesser von 16 mm und einen Innendurchmesser von 14 mm, wobei ihr vorderes Ende auf der gleichen Höhe wie der Eingang der äußeren Düse lag. Eine optische Faser mit einem Außendurchmesser von 150 µm und einem Kerndurchmesser von 60 µm wurde mit einer Spinngeschwindigkeit von 60 km je Stunde unter diesen Bedingungen erhalten. Falls die Temperatur des Mittelteiles der Düse auf 1080°C, die Temperatur an ihrem unteren Ende auf 1000°C erniedrigt und die Spinngeschwindigkeit auf 1 m je Stunde eingestellt wurde, konnten Fasern mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einem Kerndurchmesser von 4 mm erhalten werden.

Beispiel 5

Unter Anwendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 4 mit drei Schmelztiegeln, die mit einer äußeren Düse mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 200 mm ausgestattet war, wurde eine optische Faser vom Stufentyp, die aus einem Kern 103, einem Mantel 104 und einer Schutzschicht 105 bestand, wie in Fig. 5(b) gezeigt, aus einem Natron-Kalk-Glas mit einer Viskosität von etwa 100 Pa · s bei einer Temperatur von 1020°C gesponnen. Die Glasmasse für den Kern hatte einen Rechnungsindex von 1,549 und bestand aus 64 Gew.% SiO₂, 16 Gew.% Na₂O und 20 Gew.% CaO. Die Glasmasse für den Mantel hatte einen Brechungsindex von 1,530 und bestand aus 66 Gew.% SiO₂, 18 Gew.% Na₂O und 16 Gew.% CaO. Die Glasmasse für die Schutzschicht hatte einen Brechungsindex von 1,535 und bestand aus 66 Gew.% SiO₂, 20 Gew.% Na₂O, 10 Gew.% CaO und 4 Gew.% BaO.
Die Vorrichtung enthielt eine innere Düse 407 mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 6 mm und einer Länge von 50 mm, wobei deren vorderes Ende 20 mm unterhalb des feststehenden Teiles der äußeren Düse angebracht war, sowie eine mittlere Düse 408 mit einem Außendurchmesser von 16 mm, einem Innendurchmesser von 14 mm und einer Länge von 100 mm, wobei deren vorderes Ende 80 mm unterhalb des feststehenden Teiles der äußeren Düse angebracht war.
Eine mit einer Geschwindigkeit von 30 km je Stunde gesponnene Faser, wobei die Temperatur des Schmelztiegels bei 1020°C, die Temperatur des mittleren Teils der Düse bei 1050°C und die Temperatur ihres unteren Endes bei 1030°C gehalten wurde, zeigte eine hohe Dimensionsgenauigkeit, einen Faseraußendurchmesser von 150 µm±1 µm, einen Mantelaußendurchmesser von 120 µm±1 µm, einen Kernaußendurchmesser von 80 µm±1 µm und eine Kernexzentrizität von weniger als 1 µm über die Gesamtlänge. Das Licht, welches durch die Faser über eine Distanz von 5 km übermittelt wurde, zeigte eine stetige Modusverteilung und hatte eine Öffnungszahl von 0,20. Falls Lichtstrahlen auf die optische Faser mit dieser Öffnungszahl fielen, betrug der Lichtverlust weniger als 3 dB/km bei einer Wellenlänge von 0,80 µm bis 0,85 µm und es wurde ein Band von 50 MHz · km erhalten. Wenn die optischen Fasern mit Kunststoff überzogen und zur Bildung eines optischen Kabels gebündelt wurden, waren die Schwankungen des Verlustes und des Bandes im Kabel vernachlässigbar gering.

Beispiel 6

Unter Anwendung einer Vorrichtung mit drei Schmelztiegeln, die einen äußersten Schmelztiegel mit einer äußeren Düse mit einem Innendurchmesser von 25 mm und einer Länge von 1000 mm aufwies, wurde eine optische Faser von Fokussiertyp aus einem Natron-Borsilikatglas mit einer Viskosität von etwa 100 Pa · s bei einer Temperatur von 950°C gesponnen.
Die Glasmassen für den Kern und den Mantel waren die gleichen wie im Beispiel 2. Die Glasmasse für die Schutzschicht hatte einen Brechungsindex von 1,518 und bestand aus 65 Gew.% SiO₂, 10 Gew.% B₂O₃, 20 Gew.% Na₂O und 5 Gew.% ZnO.
Die Vorrichtung enthielt auch eine innere Düse mit einem Außendurchmesser von 12 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 130 mm, wobei deren vorderes Ende 100 mm unterhalb des feststehenden Teiles der äußeren Düse angebracht war, sowie eine mittlere Düse mit einem Außendurchmesser von 20 mm, einem Innendurchmesser von 16 mm und einer Länge von 200 mm, wobei deren vorderes Ende 180 mm unterhalb dem feststehenden Teil der äußeren Düse angebracht war.
Die Strecke für den Ionenaustausch, innerhalb welcher das Kernglas und das Mantelglas in Kontakt miteinander innerhalb der Düse des äußeren Schmelztiegels abwärts strömten, wurde auf 900 mm eingestellt, und die Temperatur der Mitte der äußeren Düse wurde bei 950°C und die Temperatur ihres unteren Endes bei 900°C gehalten. Die Schmelztiegeltemperatur betrug 950°C. Unter diesen Bedingungen wurde eine Faser bei einer Spinngeschwindigkeit von etwa 15 km je Stunde hergestellt. Die Faser hatte einen Außendurchmesser von 150 µm, einen Mantelaußendurchmesser von 100 µm und einen Kernaußendurchmesser von 60 µm. Die Dimensionsgenauigkeit der Faser war über ihre Gesamtlänge hoch. Ein optisches, aus den erhaltenen Fasern gebildetes Kabel ergab einen Verlust von weniger als 5 dB/km und ein breites Band von mindestens 1 GHz · km in einer Mehrwegübertragung, falls ein Halbleiterlaser als Lichtquelle verwendet wurde.

Beispiel 7

Unter Anwendung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung, welche eine äußere Düse 613 mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 6 mm und einer Länge von 100 mm enthielt, wurde eine optische Faser vom Stufentyp mit einer Dreischichtstruktur aus einem Natron-Kalk- Glas mit einer Viskosität von etwa 100 Pa · s bei einer Temperatur von 1020°C gesponnen. Die verwendeten Glasmassen waren die gleichen wie in Beispiel 5. Die Vorrichtung enthielt auch eine innere Düse mit einem Außendurchmesser von 4 mm, einem Innendurchmesser von 3 mm und einer Länge von 3 mm, deren vorderes Ende 2 mm unterhalb des feststehenden Teils der äußeren Düse angebracht war, sowie eine Hilfsdüse mit einem Außendurchmesser von 20 mm, einem Innendurchmesser von 16 mm und einer Länge von 40 mm, wobei deren vorderes Ende auf der gleichen Höhe wie das vordere Ende der äußeren Düse lag.
Während die Temperatur der Mitte des äußeren Schmelztiegels bei 1020°C, die Temperatur der Hilfsdüse 606 und des Mittelteils der äußeren Düse bei 1050°C und die Temperatur des vorderen Endes der äußeren Düse bei 1000°C gehalten wurden, wurde eine optische Faser mit einer Geschwindigkeit von 20 km je Stunde erhalten. Die Faser hatte eine hohe Dimensionsgenauigkeit entsprechend einem Faseraußendurchmesser von 150 µm±1 µm, einem Mantelaußendurchmesser von 120 µm±1 µm, einem Kernaußendurchmesser von 80 µm±1 µm und eine Kernexzentrizität von weniger als 1 µm über ihre gesamte Länge. Lichtstrahlen, die durch die Faser über eine Distanz von 5 km übermittelt wurden, zeigten eine stetige Modusverteilung und hatten eine Öffnungszahl von 0,20. Wenn eine Mehrwegübertragung ausgeführt wurde, indem Lichtstrahlen mit dieser Öffnungszahl hindurchgeführt wurden, war der Lichtverlust niedriger als 3 dB je km bei einer Wellenlänge von 0,80 µm bis 0,85 µm, und es wurde ein Band von 50 MHz · km erhalten. Wenn die Faser mit einem Kunststoffmaterial überzogen wurde, und die überzogenen optischen Fasern zu einem Kabel verarbeitet wurden, waren die Schwankungen des Verlustes und des Bandes im Kabel vernachlässigbar gering.

Beispiel 8

Eine aus zwei Schmelztiegeln bestehende Vorrichtung der in Fig. 6 gezeigten Art wurde eingesetzt, welche eine äußere Düse 613 mit einem Außendurchmesser von 22 mm, einem Innendurchmesser von 18 mm und einer Länge von 1000 mm am äußeren Schmelztiegel 603 und eine innere Düse mit einem Außendurchmesser von 12 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 100 mm besaß wobei deren vorderes Ende 900 mm oberhalb des vorderen Endes der äußeren Düse angebracht war. Eine Hilfsdüse 606 mit einem Außendurchmesser von 30 mm, einem Innendurchmesser von 26 mm und einer Länge von 100 mm, wobei deren vorderes Ende auf der gleichen Höhe wie das vordere Ende der äußeren Düse lag, wurde am Ausgang der äußeren Düse angebracht. Eine optische Faser vom Fokussiertyp wurde aus einem Natron-Borsilikatglas mit einer Viskosität von etwa 100 Pa · s bei einer Temperatur von 950°C in dem in Fig. 6 gezeigten Spinnofen gesponnen.
Die Glaszusammensetzungen waren die gleichen wie in Beispiel 6.
Die Strecke für den Ionenaustausch, innerhalb welcher das Kernglas und das Mantelglas in Kontakt miteinander innerhalb der äußeren Düse 613 abwärts strömten, wurde auf 900 mm eingestellt, und die Temperatur der Mitte der Düse wurde bei 950°C und die Temperatur an ihrem unteren Ende bei 900°C gehalten. Der Schmelztiegel wurde bei 950°C gehalten. Eine optische Faser wurde unter diesen Bedingungen bei einer Spinngeschwindigkeit von etwa 10 km je Stunde hergestellt. Die erhaltene Faser hatte einen Außendurchmesser von 150 µm, einen Mantelaußendurchmesser von 100 µm und einen Kernaußendurchmesser von 60 µm. Die Dimensionsgenauigkeit der Faser war über die Gesamtlänge hoch. Bei einem aus den erhaltenen optischen Fasern hergestellten optischen Kabel ergab sich ein niedriger Verlust von weniger als 5 dB/km und ein breites Band von etwa 1 GHz · km bei einer Mehrwegübertragung mit einem Halbleiterlaser als Lichtquelle.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen optischer Glasfasern, mit zwei oder mehr Schmelztiegeln und mit an deren Boden koaxial angeordneten Auslaufdüsen unterschiedlicher Länge, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegende Düse eine Länge von mindestens 30 mm aufweist und für diese Düse eine Heizvorrichtung vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegende Düse eine Länge von nicht mehr als 2000 mm aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegende Düse eine Länge von 50 bis 1000 mm aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegende Düse einen Innendurchmesser von 4 bis 50 mm aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der außen liegenden Düse das Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser mindestens 3 beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der außen liegenden Düse das Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser 5 bis 60 beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der außen liegenden Düse mindestens eine weitere Düse koaxial angeordnet ist, deren Länge nicht mehr als die Hälfte der Länge der außen liegenden Düse beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zugehörige Schmelzeinrichtung aus Platin besteht und aus zwei oder drei Schmelztiegeln aufgebaut ist.