DE60000025T2

DE60000025T2 - Herstellung von optischen Fasern mit Gradientindex

Info

Publication number: DE60000025T2
Application number: DE60000025T
Authority: DE
Inventors: Blyler, Jr; Gary J Grimes; Charles J Sherman
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: EP1080871B1; US6265018B1; JP2001116932A; DE60000025D1; EP1080871A1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Lichtwellenleitern.

Allgemeiner Stand der Technik

Im Stand der Technik ist die Herstellung eines Gradientenindexlichtwellenleiters wohlbekannt. So sind beispielsweise aus den US-Patenten Nummer 5,760,139 und 5,783,636 und aus WO-A-97 20,240 sieben Verfahren zum Herstellen eines Gradiertenindexlichtwellenleiters bekannt. Bei einem derartigen Lichtwellenleiter wird ein Dotierstoff in einem Fluorpolymer derart verteilt, daß er in der Richtung von der Mitte zu dem Umfang einen Konzentrationsgradienten aufweist. Es handelt sich dabei bevorzugt um einen Lichtwellenleiter, bei dem der Dotierstoff ein Material ist, dessen Brechungsindex höher ist als der vom Fluorpolymer, und der Dotierstoff ist so verteilt, daß er einen Konzentrationsgradienten aufweist, der derart ist, daß die Konzentration des Dotierstoffs in der Richtung von der Mitte des Lichtwellenleiters zu dem Umfang abnimmt. Somit wird ein Gradientenindexlichtwellenleiter dadurch hergestellt, daß der Dotierstoff in der Mitte angeordnet und zu dem Umfang diffundiert wird. In anderen Fällen wird ein Gradientenindexlichtwellenleiter ausgebildet, bei dem der Dotierstoff ein Material ist, dessen Brechungsindex niedriger ist als der vom Fluorpolymer, und der Dotierstoff ist so verteilt, daß er einen Konzentrationsgradienten aufweist, daß die Konzentration des Dotierstoffs in Richtung von dem Umfang der Lichtwellenleiter zu der Mitte abnimmt, eignet sich ebenfalls. Somit wird ein Gradientenindexlichtwellenleiter dadurch hergestellt, daß der Dotierstoff von dem Umfang zu der Mitte diffundiert wird.
Aus den oben angeführten Patenten sind die folgenden sieben Verfahren zur Herstellung von Kunststoff- Gradientenindexlichtwellenleitern bekannt. Bei einem ersten Verfahren wird das Fluorpolymer geschmolzen, der Dotierstoff oder ein Fluorpolymer, das den Dotierstoff in der Mitte der Schmelze des Fluorpolymers enthält, eingespritzt und dann die Schmelze während oder nach dem Diffundieren des Dotierstoffs geformt. In diesem Fall kann der Dotierstoff nicht nur deshalb in die Mitte eingespritzt werden, damit eine Schicht gebildet wird, sondern auch damit mehrere Schichten gebildet werden. Das Formen wird durch Schmelzextrusion durchgeführt, die sich dafür eignet, um ein Material mit einem stabartigen Körper auszubilden, wie etwa eine Preform eines Lichtwellenleiters, oder durch Schmelzspinnen, was sich zum Ausbilden eines Lichtwellenleiters eignet.
Bei einem zweiten Verfahren wird der Dotierstoff oder das Fluorpolymer, das den Dotierstoff an einem aus dem Fluorpolymer durch Schmelzspinnen oder Ziehen ausgebildeten Kern enthält, tauchbeschichtet.
Bei einem dritten Verfahren wird ein hohles Rohr aus dem Fluorpolymer ausgebildet, indem ein sich drehendes Glasrohr oder dergleichen verwendet wird, das Polymerrohr mit einer den Dotierstoff oder dem den Dotierstoff enthaltenden Fluorpolymer abgebenden Monomerphase gefüllt, und dann wird die Monomerphase bei Drehen des Polymerrohrs mit niedriger Geschwindigkeit polymerisiert. Im Fall einer Trennschicht-Gel- Polymerisation schwillt das Rohr aus dem Fluorpolymer beim Polymerisationsschritt in der Monomerphase an und bildet eine Gelphase, und die Monomermoleküle werden bei bevorzugtem Diffundieren in der Gelphase polymerisiert.
Bei einem vierten Verfahren, bei dem zwei Arten von Monomeren mit unterschiedlicher Reaktivität verwendet werden, von denen eines ein Monomer ist, das das Fluorpolymer bildet, und das andere ein Monomer ist, das den Dotierstoff bildet, und die Polymerisationsreaktion so durchgeführt wird, daß das Verbindungsverhältnis des resultierenden Fluorpolymers zu dem resultierenden Dotierstoff in der Richtung von dem Umfang zu der Mitte ständig variiert.
Bei einem fünften Verfahren wird ein Gemisch aus dem Fluorpolymer und dem Dotierstoff, das erhalten wird, indem sie homogen gemischt werden oder in einem Lösungsmittel homogen gemischt werden und dann das Lösungsmittel durch Verdampfung entfernt wird, zu Fasern heißgezogen oder schmelzextrudiert, und die Fasern werden dann (oder unmittelbar nach der Ausbildung der Fasern) unter Erhitzung mit einem Edelgas kontaktiert, um den Dotierstoff von der Oberfläche zu verdampfen und dadurch einen abgestuften Brechungsindex zu bilden. Oder ein Verfahren, bei dem die Fasern nach ihrer Ausbildung in ein Lösungsmittel eingetaucht werden, das das Fluorpolymer nicht löst, aber den Dotierstoff, damit der Dotierstoff aus der Oberfläche der Fasern herausgelöst wird, so daß ein abgestufter Brechungsindex gebildet wird.
Bei einem sechsten Verfahren wird ein Stab oder eine Faser aus dem Fluorpolymer nur mit dem Dotierstoff beschichtet, dessen Brechungsindex kleiner ist als der des Fluorpolymers, oder mit einem Gemisch aus dem Fluorpolymer und dem Dotierstoff, und dann wird der Dotierstoff durch Erhitzen diffundiert, um einen abgestuften Brechungsindex zu bilden.
Bei einem siebten Verfahren werden ein Polymer mit einem hohen Brechungsindex und ein Polymer mit einem niedrigen Brechungsindex durch Heißschmelzen oder in einem Lösungszustand mit einem Lösungsmittel vermischt, und sie werden ineinander während (oder nach) Mehrschicht diffundiert - außer in einem Zustand, daß jeder ein anderes Mischungsverhältnis aufweist, um schließlich eine Faser mit einem abgestuften Brechungsindex zu erhalten. In diesem Fall kann das Polymer mit dem hohen Brechungsindex das Fluorpolymer sein, und das Polymer mit dem niedrigen Brechungsindex kann der Dotierstoff sein.
Bei allen obengenannten Herstellungsverfahren wird die optische Transmissionsbandbreite durch einen Testschritt nach der Herstellung bestimmt, nachdem das Cladding und der Puffer zu dem hergestellten Kern des Lichtwellenleiters hinzugefügt worden sind und alle Diffusionsprozesse abgeschlossen sind. Falls die Transmissionsbandbreite die erforderlichen Spezifikationen nicht erfüllt, muß der Lichtwellenleiter verworfen werden. Für ein Verfahren zur Herstellung von Kunststofflichtwellenleitern nach dem Stand der Technik stellt dies ein wesentliches Problem dar.

Kurze Darstellung der Erfindung

Von dem Stand der Technik wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Gradientenindexlichtwellenleiters abgewichen, indem bei einer ersten Ausführungsform ein Dotierstoff mit einem hohen Molekulargewicht in einem Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter diffundiert wird, nachdem der Kunststoff- Stufenindexlichtwellenleiter unter Verwendung eines herkömmlichen Ziehturms aus einer Preform gezogen worden ist. Der Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter kann außerdem dadurch hergestellt werden, daß ein Material, zum Beispiel durch Verwendung einer konzentrischen Düse, umfangsmäßig um ein anderes Material herum extrudiert wird. Der Dotierstoff wird nach dem Ziehen oder Extrudieren des Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiters diffundiert, indem der Kunststofflichtwellenleiter auf eine Temperatur erhitzt wird, die einen Zustand hoher Diffusionsrate bewirkt, und gleichzeitig die Transmissionsbandbreite des Kunststofflichtwellenleiters gemessen wird. Wenn die vorbestimmte festgelegte Transmissionsbandbreite gemessen wird, wird der Kunststofflichtwellenleiter sofort wieder auf Umgebungstemperatur gebracht. Der Kunststofflichtwellenleiter wird vorteilhafterweise allmählich auf eine Gleichgewichtstemperatur erhitzt, die gerade unter der Temperatur liegt, die erforderlich ist, um einen Zustand hoher Diffusionsrate zu erzeugen. Nach dem Erreichen der Gleichgewichtstemperatur wird weiter erhitzt, um die Temperatur auf die Temperatur anzuheben, die erforderlich ist, um die hohe Diffusionsrate zu erzeugen, und die Transmissionsbandbreite wird getestet. Die Diffusion wird fortgesetzt, bis die festgelegte Transmissionsbandbreite erreicht ist. Wenn der Kunststofflichtwellenleiter anfänglich aus der Preform gezogen wird oder anfänglich durch Extrusion ausgebildet wird, werden der resultierende Kern und das äußere Cladding außerdem mit einem Puffermaterial abgedeckt, das bei der für eine hohe Diffusionsrate erforderlichen Temperatur im wesentlichen unverzerrt bleibt.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Preform anfänglich so lange erhitzt, daß der Diffusionsprozeß teilweise abgeschlossen werden kann. Nach dem Ziehen des Kunststofflichtwellenleiters wird die verbleibende Diffusion bewerkstelligt, indem auf die festgelegte Transmissionsbandbreite getestet wird. Der Kunststofflichtwellenleiter wird wieder auf die Umgebungstemperatur gebracht, wenn die festgelegte Transmissionsbandbreite erzielt worden ist.
Andere und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich während des Verlaufs der folgenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt in Form eines Flußdiagramms Schritte zur Herstellung eines Kunststofflichtwellenleiters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zeigt in Form eines Flußdiagramms Schritte zur Herstellung eines Kunststofflichtwellenleiters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine Vorrichtung zur Verwendung mit den Schritten von Fig. 1 und 2; und
Fig. 4 zeigt in Form eines Blockschaltbilds eine Vorrichtung zur Verwendung mit den Schritten von Fig. 1 und 2.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 veranschaulicht die Schritte für die Herstellung eines Kunststofflichtwellenleiters gemäß der ersten Ausführungsform. Nach dem Start in Block 100 bildet Block 101 die Preform mit dem Dotierstoff. Danach zieht Block 102 die Preform auf den richtigen Durchmesser für einen Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter, fügt zu dem Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter das Puffermaterial hinzu und ordnet den Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter auf einer Spule an. In Block 103 wird die Spule aus Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter in einem Ofen bei Umgebungstemperatur angeordnet, der Ofen wird dann so lange erhitzt, bis der Lichtwellenleiter eine Gleichgewichtstemperatur erreicht, die geringfügig unter der Temperatur liegt, die erforderlich ist, um den Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter in den Zustand hoher Diffusionsrate zu versetzen, der bewirkt, daß ein Kunststoff-Gradientenindexlichtwellenleiter ausgebildet wird. Als nächstes veranlaßt Block 104 das Anheben der Temperatur des Ofens auf die Temperatur, die für die hohe Diffusionsrate erforderlich ist, und übergibt die Steuerung an den Entscheidungsblock 106. Im Entscheidungsblock 106 wird die Transmissionsbandbreite gemessen, um zu bestimmen, ob die erforderliche Bandbreite erreicht worden ist; falls nicht, wird die Bandbreite so lange weiter gemessen, bis sie das festgelegte Niveau erreicht. Wenn die Transmissionsbandbreite korrekt ist, wird die Steuerung an den Block 107 übergeben, wo der Gradientenindexlichtwellenleiter wieder auf die Umgebungstemperatur gebracht wird, indem entweder die Spule aus Lichtwellenleiter aus dem Ofen entfernt oder die Temperatur des Ofens schnell abgesenkt wird. Nachdem der Block 107 abgeschlossen ist, wird die Steuerung an den Block 108 übertragen, der den Abschluß des Herstellungsprozesses darstellt. Der Fachmann kann sich ohne weiteres vorstellen, daß der Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter nicht vor der Erhitzung auf einer Spule angeordnet wird, sondern daß vielmehr der resultierende Kunststoff-Gradientenlichtwellenleiter auf einer Spule angeordnet wird. Falls der Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiter durch Extrusion gebildet wird, anstatt aus einer Preform gezogen zu werden, werden die Schritte der Blöcke 101 und 102 zu einem Schritt des Extrudierens und Aufwickelns des Kunststoff-Stufenindexlichtwellenleiters kombiniert.
Bei dem Puffermaterial, das das Cladding und den Kern des Lichtwellenleiters abdeckt, kann es sich vorteilhafterweise um ein thermoplastisches Polymer mit einer hohen Schmelztemperatur oder Glasübergangstemperatur handeln, die über derjenigen Temperatur liegt, bei der der Dotierstoffdiffusionsprozeß ausgeführt wird. Der thermoplastische Puffer kann während des Ziehens oder nach dem Ziehen auf den Lichtwellenleiter aufgetragen werden. Zu geeigneten Prozessen für das Auftragen des thermoplastischen Puffers zählen die Schmelzextrusion oder das Ziehen aus einem die Preform oder die Faser umgebenden geschmolzenen Rohr. Das Puffermaterial kann aber auch ein vernetztes Polymer sein, das in einem flüssigen Prepolymerzustand auf den gezogenen Lichtwellenleiter aufgetragen und unter Verwendung von thermischer, UV- oder Elektronenstrahlaktivierung verfestigt wird, um eine schnelle vernetzende Polymerisationsreaktion einzuleiten. Da ein derartiger Puffer eine permanente Netzstruktur besitzt, behält er seine Form selbst bei Erhitzung über seine Glasübergangstemperatur bei. Deshalb neigt er kaum dazu, eine Verzerrung der Faser zu bewirken, wenn sie auf die Temperatur erweicht wird, die für eine hohe Diffusionsrate erforderlich ist. Zu Beispielen für geeignete thermoplastische Puffermaterialien zählen PA 66, Polyetherimid, Polysulfon, Copolymere von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen und amorphe Fluorpolymere. Zu Beispielen für vernetzte Puffermaterialien zählen Silikonelastomere, Urethanacrylatpolymere, Epoxidharze, Epoxidacrylatpolymere und Urethanelastomere.
Fig. 2 zeigt die Schritte zur Herstellung eines Kunststofflichtwellenleiters gemäß der zweiten Ausführungsform. Nach dem Start in Block 200 bildet Block 201 die Preform mit dem Dotierstoff. Addition, Block 201 diffundiert den Dotierstoff teilweise für eine vorbestimmte Zeit. Als nächstes zieht Block 202 die Preform auf den richtigen Durchmesser für den Kunststofflichtwellenleiter, fügt zu dem Lichtwellenleiter das Puffermaterial hinzu und ordnet den Lichtwellenleiter auf einer Spule an. In Block 203 wird die Spule aus Lichtwellenleiter in einem Ofen bei Umgebungstemperatur angeordnet, der Ofen wird dann so lange erhitzt, bis der Lichtwellenleiter eine Gleichgewichtstemperatur erreicht, die geringfügig unter der Temperatur liegt, die erforderlich ist, um den Lichtwellenleiter in den Zustand hoher Diffusionsrate zu versetzen. Als nächstes veranlaßt Block 204 das Anheben der Temperatur des Ofens auf die Temperatur, die für die hohe Diffusionsrate erforderlich ist, und übergibt die Steuerung an den Entscheidungsblock 206. Im Entscheidungsblock 206 wird die Transmissionsbandbreite gemessen, um zu bestimmen, ob die erforderliche Bandbreite erreicht worden ist; falls nicht, wird die Bandbreite so lange weiter gemessen, bis sie das festgelegte Niveau erreicht. Wenn die Transmissionsbandbreite korrekt ist, wird die Steuerung an den Block 207 übergeben, wo der Lichtwellenleiter wieder auf die Umgebungstemperatur gebracht wird, indem entweder die Spule aus Lichtwellenleiter aus dem Ofen entfernt oder die Temperatur des Ofens schnell abgesenkt wird. Nachdem der Block 207 abgeschlossen ist, wird die Steuerung an den Block 208 übertragen, der den Abschluß des Herstellungsprozesses darstellt. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden, falls der aus Kunststoff bestehende Ausgangslichtwellenleiter durch Extrusion gebildet wird, die Blöcke 201 und 202 zu einem Schritt des Extrudierens und Aufwickelns des aus Kunststoff bestehenden Ausgangslichtwellenleiters zusammengefaßt.
Fig. 3 zeigt die zum Implementieren beider Ausführungsformen erforderliche Vorrichtung, wenn Preforms verwendet werden. Die Vorrichtung 301 wird dazu verwendet, die Preforms auszubilden, der Ziehturm 302 wird dazu verwendet, den Lichtwellenleiter aus der Preform auszubilden und den Lichtwellenleiter in einem Puffer einzuschließen. Nachdem die Spule aus Lichtwellenleiter im Ziehturm 302 ausgebildet ist, wird sie in Turm 302 angeordnet, wird dazu verwendet, den Lichtwellenleiter aus der Preform auszubilden und den Lichtwellenleiter in einem Puffer einzuschließen. Nachdem die Spule aus Lichtwellenleiter im Ziehturm 302 ausgebildet ist, wird sie in Ofen 303 angeordnet, der von Hand oder automatisch gesteuert werden kann. Falls der Ofen 303 automatisch gesteuert wird, wird die Ausgabe am Testsatz 304 von der automatischer Steuerung dazu verwendet, zu bestimmen, wann die Temperatur auf der Spule 306 reduziert werden soll. Der Testsatz 304 kann ein Impulsdispersionstestsatz sein. Der Testsatz 304 kann aber auch ein Differentialmodusverzögerungstestsatz oder ein Testsatz sein, der einfach die Fehlerbitrate einer optischen seriellen Hochgeschwindigkeitsverbindung mißt.
Fig. 4 zeigt die zum Implementieren beider Ausführungsformen erforderliche Vorrichtung, wenn der aus Kunststoff bestehende Ausgangslichtwellenleiter durch Extrusion hergestellt wird. Die Vorrichtung 401 wird dazu verwendet, den Lichtwellenleiter zu extrudieren, den Lichtwellenleiter in einem Puffer einzuschließen und auf eine Spule 406 zu bilden. Nachdem die Spule aus Lichtwellenleiter in der Vorrichtung 401 ausgebildet ist, wird sie in einem Ofen 403 angeordnet, der von Hand oder automatisch gesteuert werden kann. Falls der Ofen 403 automatisch gesteuert wird, wird die Ausgabe am Testsatz 404 von der automatischen Steuerung dazu verwendet, zu bestimmen, wann die Temperatur auf der Spule 406 reduziert werden soll. Die Vorrichtung 401 ist in Fig. 1 des US-Patents Nr. 5,593,621 offenbart.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Gradientenindexlichtwellenleiters mit den folgenden Schritten:

a) Herstellen (101) eines Lichtwellenleiters mit einem Dotierstoff in dem Lichtwellenleiter;

b) Versetzen (103, 104) des Lichtwellenleiters in einen Zustand hoher Diffusion, um die Diffusion des Dotierstoffs in dem Lichtwellenleiter zu beginnen;

c) Entfernen (107) des Lichtwellenleiters aus dem Zustand hoher Diffusion, gekennzeichnet durch das Messen (106) auf eine Transmissionsbandbreite des Lichtwellenleiters nach Schritt b) für eine festgelegte Transmissionsbandbreite und Durchführung von Schritt c), wenn die festgelegte Transmissionsbandbreite erzielt ist, wodurch der Lichtwellenleiter ein Gradientenindexlichtwellenleiter mit der festgelegten Transmissionsbandbreite ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Herstellens den Schritt des Formens (101) einer Preform mit Cladding und einem Kern mit einem Dotierstoff mit hohem Molekulargewicht und des Ziehens (102) der Preform zur Bildung des Lichtwellenleiters, der ein Stufenindexlichtwellenleiter ist, umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Herstellens folgende Schritte umfaßt:

Bilden (201) einer Preform mit einem Cladding und einem Kern mit einem Dotierstoff, teilweises Diffundieren (201) des Dotierstoffs in der Preform und Ziehen (202) der Preform zur Bildung des Lichtwellenleiters.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Herstellens den Schritt des Extrudierens eines Stufenindexlichtwellenleiters umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Herstellens den Schritt des Extrudierens eines Lichtwellenleiters mit teilweise diffundiertem Dotierstoff umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Schritt des Herstellens weiterhin den Schritt (102) umfaßt, bei dem der Lichtwellenleiter mit einem Puffermaterial abgedeckt wird, das im Zustand hoher Diffusion im wesentlichen unverzerrt bleibt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Schritt des Versetzens die folgenden Schritte umfaßt: allmähliches Erhitzen (103) des Lichtwellenleiters auf eine Gleichgewichtstemperatur unter einer Temperatur, die eine hohe Diffusionsrate erzeugt; und

Erhitzen (104) des Lichtwellenleiters auf die Temperatur, die die hohe Diffusionsrate erzeugt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Schritt des Messens den Schritt des Ausführens eines Impulsdispersionstests umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Schritt des Messens den Schritt des Ausführens eines Differentialmodusverzögerungstests umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Schritt des Messens den Schritt des Ausführens einer Messung der Bitfehlerrate des Lichtwellenleiters umfaßt.