NL8102878A - Werkwijze voor de continue fabricage van optische vezels met behulp van de dubbele kroesmethode, vezels verkregen met deze werkwijze en dubbele kroes voor toepassing in deze werkwijze. - Google Patents

Description

φ s EHN 10,081 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven ’'Werkwijze vcor de continue fabricage van qptische vezels met behulp van de dubbele kroesmethode, vezels verkregen met deze werkwijze en dubbele kroes voor toepassing in deze werkwijze”. * •

De uitvinding heeft betrekking op een warkwijze voor de continue fabricage van optische vezels bestaande uit een kemglas en tenminste een mantelglas met behulp van de dubbele kroesmethode.

De uitvinding heeft vender betrekking op vezels verkregen met deze 5 werkwijze en een dubbele kroes voor toepassing in deze werkwijze.

De dubbele kroesmethode is een bekende techniek voor het continu vervaardigen van optische vezels van zowel het graded index type als van het stepped index monanode en multimode type.

Bij de dubbele kroesmethode wordt een inrichting toegepast bestaande 10 uit tenminste twee gewoonlijk concentrisch cpgestelde smeltvaten die ieder in de bodem van een opening zijn voorzien. Deze openingen liggen in een lijn. De inhoud van de vaten wordt gewoonlijk verhit op de gewenste temperatuur door middel van een oven, die het buitenste smelt-vat angeeft. Het kemglas wordt gesnolten in het meest centraal gelegen 15 vat, het mantelglas (de mantelglazen) in het (de) daarcniheen aange- brachte vat(en). Bij de vezeltrektsrperatuur vloeien de glazen doorgaans onder invloed van de zwaartekracht tezamen uit de uubbele kroes inrichting, zij warden daarbij direct tot een vezel uitgetrokken. Afhankelijk van de samenstelling van de glazen en de temperatuurhuishouding kan 20 daarbij al of niet een uitwisseling van kationen tussen het kern en het mantelglas of diffusie van een kation van het kemglas naar het mantelglas of cmgekeerd plaats vinden.

De bij de dubbele kroesmethode toegepaste smeltvaten bestaan gewoonlijk uit platina of kwarts. De toepassing van platina kroezen 25 boven 900°C is niet goed mogelijk. Boven 900°C wordt platina, hoofd-zakelijk via de gasfaze, in glas gedispergeerd, terwijl ook deeltjes platina kunnen losraken van de kroeswand en door het uitstrcmende glas worden meegevoerd. Ook diffunderen bij deze temperaturen verontreinigen zoals bijvcorbeeld chrocm uit het platina in de glas smelt. Kroezen uit 30 kwarts vertonen nadelen van dezelfde aard (cplossen van kwarts in het glas en diffusie van verontreinigingen uit het kwarts in het glas).

De hierdoor veroorzaakte verontreinigingen en concentratieverschillen 81 02 8 78 ψ 5= w l PHN 10.081 2 geven aanleiding tot absorptie en verstrooilng en daarmede tot een extra bijdrage aan de damping van het lichtsignaal dat door de op-tische vezel wordt gezonden. Deze effecten gaan steeds meer een rol spe-len^omdat uitgangsstoffen voor de optische vezel glasfabricage in 5 steeds grotere zuiverheden ter beschikking komen en ook de zuiverheid van de gasatmosfeer boven de glassmelt voldoende onder controle kan warden gehouden.

Tot nu toe werden in de praktijk voor de fahricage van optische vezels betrekkelijk laagsmeltende glazen toegepast zoals borosilikaat-10 .phosphorosilikaat-en loodoxidesilikaat-glazen. Deze glazen zijn echter cm verscheidene redenen niet geschikt om optische vezels met minimale . demping tot tenminste 1500 ran te vervaardigen.

De demping, die in optische fibers optreedt, ontstaat door ver-schillende oorzaken, zoals door verontreinigingen, die in het interesse-15 rende golflengtegebied licht absorber en en die in de uitgangsmaterialen aanwezig zijn of zoals reeds genoemd door het glas uit het kroesmateriaal worden opgenomen en door strooiing tengevolge van inhomogeniteiten. Ma-croscopische inhomogeniteiten veroorzaken een golflengte onafhankelijke strooiing van het licht, suimicron en atomaire inhomogeniteiten veroor-20 zaken een golflengte afhankelijke strooiing, de zogenaamde Rayleigh-strooiing. Bij goede glazen wordt de strooiing in hoofdzaak bepaald door de atomaire bijdrage aan de Rayleigh-strooiing. De Rayleigh-strooiing is amgekeerd evenredig aan de vierde macht van de golflengte van het door de optische vezel gezonden licht. De Rayleigh strooiing is ondermeer 25 afhankelijk van de hoeveelheid zware elementen die bijvoorbeeld in de vorm van een oxyde een bestanddeel van het glas vormen. Qm deze reden kan bij toepassing van loodoxydesilikaat-glazen geen bijzonder lage demping worden bereikt. Hetzelfde geldt, hoewel in mindere mate voor glazen, die germaniumoxyde bevatten. Boriumoxyde veroorzaakt demping 30 bij golflengten groter dan 1200 nm. Een aantal van de tot nu toe voor-gestelde relatief laagsmeltende glazen zijn bovendien weinig stabiel (dat wil zeggen neigen tot kristallisatie) en zijn niet corrosiebe-stendig in het bijzonder in een vochtige atmosfeer, dit laatste geldt bijvoorbeeld in het bijzonder voor phospborsilikaat-glazen.

35 De toepassing van glazen, die bij relatief lage temperaturen met behulp van de dubbele kroesmethode tot vezels kunnen worden ge-trokken hebben wel het voordeel, dat bij deze lage temperaturen de diffusiesnelheid van verontreinigingen uit de kroeswand in het glas 81 0 2 8 7 8* EHN 10,081 3 <* 4 klein is en de qplossnelheid van zowel platina als kwarts In deze glazen gering is.

De uitvinding stelt zich ten doel de fahricage van qptische vezels uit glazen met een geringe damping ten gevolge van verontrei-5 nigingen cp het grensvlak tussen kern en mantel onder toepassing van een dubbele kroesmethode bij hogere badrij fsteraperaturen dan tot nu toe technisch voor mogelijk werd geacht.

De uitvinding stelt zich vender ten opgave de toepassing van glazen die geen of relatief weinig ccmponenten bevatten die de Rayleigh-10 strooiing vergroten.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan met een werkwijze die het kenmerk draagt, dat tenminste het kemglas wordt verhit door middel van een hoogfrequent electrisch veld in een kroes uit een materiaal, met geringe dielectrische verliezen bij de freguentie van 15 het gebruikte veld, terwijl deze kroes wordt gekoeld. De verhitting van het kemglas op de gewenste bedrij fsterrperatuur vindt uitsluitend plants door de warmtecntwikkeling door het boogfreguente electrische veld in het glas zelf. De meeste glazen bezitten echter bij cmgevings-tenperatuur een voor dit doel onvoldoende electrisch geleidingsvermogen.

20 Het glas wordt daarcm met andere middelen verhit tot een voldoende geleidingsvermogen is verkregen cm vermcgen uit het veld te kunnen cp-nemen, terwijl het veld is ingeschakeld. Deze verhitting kan bijvoorbeeld plaats vinden door direkte bestraling, met behulp van een oven of doordat een met kwarts cmhuld geleidend lichaam net het glas in aan-25 raking wordt gebracht. De taiperatuur waartoe het glas moet worden verhit cm vermogen uit het veld te kunnen opnemen is afhankelijk van de samenstelling van het glas, de afinetingen van de betreffende kroes, de vorm en het aantal wikkeling en van daspoel en van de freguentie van het veld. Hoe hoger de freguentie van het veld is, des te lager de tempera-30 tuur waartoe moet warden verhit bij gegeven samenstelling en gecmetrie van de kroes.

De werkwijze kan warden uitgevoerd met een inrichting die een dubbelwandige binnenkroes of smeltvat cravat. Door de door dubbele wanden cmsloten ruimte wordt een koelvloeistof geleid. In de vloeistof bevindt 35 zich een spoel uit metaaldraad die dient cm het electrisch veld in de glassmelt te koppelen die zich in de binnenkroes bevindt. Het matpri aal van de kroes en het koeimiddel worden zodanig gekozen dat de dielectrische verliezen gering zijn bij de te gebruiken freguentie van het 81 028 78, v it; PHN 10,081 4 eleetrische veld. Een geschikt kroesmateriaal is kwarts, als koel-middel kan gedestilleerd water warden toegepast. In de praktijk is gebleken dat goede resultaten kunnen warden verkregen met een electrisch veld met een freqaentie tassen 1 en 10 MHz. De toepassing van een 5 vloeistof als koelmiddel geniet in dit verband de voorkeur omdat de warm- 3 tecapaciteit per cm groter is dan van een gas en de warmteoverdracht be ter. Andere geschikte koelvloeistoffen zijn bijvoorbeeld transfor-matorolie, freonen.

Andere geschikte kroesmaterialen zijn •Al203/ M3°» glas-10 Bij het gebruik van een dubbele kroes-inrichting volgens de uitvinding vormtzichLop dekroeswand een relatief koude laag uit het kem-glas, waarvan de temperatuur lager is dan in de bulk van kern en mantel-glas. De temperatuurgradient in deze laag kan zeer steil zijn (bijvoorbeeld circa 1000°C/itm). Deze koude glaslaag, die aan de opbouw 15 van de optische vezel niet bijdraagt voorkcmt, dat verontreinigingen uit het kroesmateriaal in de glazen kunnen diffunder en en dat kroesmateriaal kan oplossen. Dit is van bij zonder belang juist voor de binnenkroes, omdat verontreinigingen hieruit precies bij het optisch belangrijke grensvlak tussen kern en mantelglas terecht komen in een 20 concentratie die tot tweemaal zo groot kan zijn als in dat. deel van een mantelglas dat uitsluitend in aanraking is met de binnenwand van een buitenkroes. Bovendien bevinden deze laatste verontreinigingen zich op een optisch minder belangrijk deel van de vezel. Het smelten van zeer zuivere glazen door middel van een hoogfrequent veld in een gekoelde 25 kroes is op zichzelf bekend. In die gevallen, waarbij deze methode wordt toegepast voor de bereiding van glazen als uitgangsmateriaal voor de vervaardiging van optische vezels warden glazen met een smelttempe-ratuur beneden 1200°C bereid. (Zie ook Amerikaans octrooischrift 3,937,625). Zover als bekend werd echter nog niet voorgesteld de inhoud 30 van de binnenste kroes bij concentrisch opgestelde kroezen door middel van een hoogfrequent electrisch veld te verhitten. Het is binnen het kader van de uitvinding uiteraard ook mogelijk het glas dat zich in een buitenkroes bevindt door middel van een hoogfrequent veld te verhitten en deze kroes eveneens te koelen. Het biedt echter voordeel een buiten-35 kroes uit kwarts toe te passen die wordt verhit door middel van een oven. Dit leidt er weliswaar toe dat in het mantelmateriaal Si02 wordt qpgelost. Deze verrijking aan Si02 aan het oppervlak van de optische vezel heeft in optisch opzicht geen nadelige gevolgen. De cptische vezel 81 02 8 78 C m EHN 10/081 5 wordt echter corrosievaster In het bijzander ten apzichte van water, terwijl in de gevormde laag tengevolge van een lagere warrate uit-zettingscoefficient een drukspanning wordt apgebouwd, die een grotere sterkte van de vezel tengevolge heeft.

5 De inrichting volgens de uitvinding biedt het voordeel, dat qp eenvoudige wijze de uitstroansnelheid van de glazen uit de binnenste kroes en de buitenste kroes of kroezen constant kan worden gehouden.

De binnenste kroes blijft betrekkelijk koud en behoudt daardoor zijn stevigheid. Dit betekent dat door regeling van de gasdruk boven de in-10 boud van de kroes de uitstroansnelheid kan worden geregeld. Ditzelfde geldt uiteraard voor de uitstroansnelheid van het glas uit de buiten-ste kroes of kroezen. Dit is een groot voordeel ten opzichte van een inrichting waarbij de kroezen uit platina bestaan, omdat platina in het hijzonder bij hogere temperaturen snel zijn sterkte verliest. Het is 15 mogelijk en in vele gevallen zelfs noodzakelijk het glas in de binnen-kroes en het glas in de buitenkroes onder een verschillende gasdruk te hcuden.

Een ander voordeel van een inrichting volgens de uitvinding is dat de glazen in de binnen en de buitenkroes qp een onderling ver-20 schillende vezeltrekterrperatuur kunnen worden gehouden. Een zorgvul-dige afstemming van de viscositeiten van kern en mantelglas is nu niet alleen mogelijk door de samenstelling van de glazen zorgvuldig te kiezen maar ook door middel van de temperatuur, waarop de glazen worden gehouden. Door regeling van de uitstroomsnelheden laat zich niet alleen 25 de geonetrie van de vezel (verhouding kemdiameter tot totale vezel-diameter) doch bijvoorbeeld bij de fabricage van gradienten vezels de diffusietijd zeer nanwkeurig regelen. Onder diffusietijd wordt in dit verband die tijd verstaan, waarin de glazen qp een voldoende hoge temperatuur met elkaar in contact staan cm een diffusie te bereiken.

30 Volgens een geschikte uitvoeringsvorm van de uitvinding bezit de binnenkroes een relatief grote uitstroomqpening dat wil zeggen met een grotere diameter dan de gewsnste diameter van de glasstroom die vanuit de binnenkroes in de deze cmringende kroes met mantelglas stroant. Bij deze uitvoeringsvorm wordt de uitstrocmqpening bepaalt door 35 de hoeveelheid vast glas die zich qp de bodem van de kroes.rond de uit-stroomqpening vorxnt. Deze hoeveelheid is afhankelijk van de mate van koeling en verhitting. Teneinde de verhitting onafhankelijk van de stroansterkte te kunnen regelen wordt de spoel in de riiimte cmsloten 8102878 PHN 10,081 6 door de dubbele wanden van de binnenkroes in de hoogte verschuifbaar aangebracht. Door de spoel dieper of minder diep in deze ruimte te laten zakken kan bij een gelijkblijvend debiet aan koelvloeistof de uitstroonopening van de binnenkroes warden geregeld.

5 Desgewenst kan de binnenkroes uit een dubbelwandige cylinder zonder vernauwing bestaan.

Volgens een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze voor het vervaardigen van optische vezels met een zogenaamde graded index kan gebruik warden gemaakt van een dubbele kroes voorzien van een lange 10 uitstrocmhiis die wordt verhit qp een voor de diffusie van de kationen in het kern en mantelglas gunstige temperatuur. Deze uitstroanbuis bij-voorbeeld uit kwarts kan eveneens direct warden verhit, omdat opname van onzuiverheden uit deze buis optisch niet schadelijk is en opname van kwarts door de vezel zelfs de sterkte daarvan gunstig kan beinvloeden.

15 De werkwijze volgens de uitvinding biedt het voordeel dat nergens direct contact tussen kemglas en mantelglas op hoge tempe-ratuur en de wanden van de binnenkroes cptreedt. Daardoor kunnen hogere temperaturen dan tot nu toe mogelijk en gebruikelijk worden toegepast. Dit opent zowel de mogelijkheid van de fabricage van optische fibers 20 uit glazen waaruit bij betrekkelijk hoge temperaturen vezels worden vervaardigd (T ^ 1200°C) als van het onderdrukken van kristallisatie en f azescheiding doordat een geschikte glassamenstelling kan warden ge-kozen.

De mogelijkheid hoger smeltende glazen toe te passen opent 25 ook de mogelijkheid andere kationen dan de tot nu toe in hoofdzaak toe-gepaste alkali-ionen, als diffundeerbare ionen toe te passen. Men kan hierbij denken aan de uitwisseling van Ca tegen Mg en A1 tegen Y.

Het is uiteraard ook mogelijk de uitvinding toe te passen bij de ver-vaardiging van optische vezels met meer dan een mantel. Hierbij wordt 30 een inrichting toegepast die drie of meer concentrisch cpgestelde smelt-vaten of kroezen omvat. De binnenste kroes of alle kroezen met uit-zondering van de buitenste kroes zijn daarbij dubbelwandig uitgevoerd, waarbij zich in de door de dubbele wanden cmsloten ruimten wikkels van metaaldraad bevinden en de mogelijkheid tot koelen met een vloeistof 35 aanwezig is. Uiteraard kan ook de buitenste kroes desgewenst dubbelwandig zijn en van een metaaldraad-wikkel en koelmogelijkheden zijn voorzien.

Aan de hand van de bijgaande tekening zal de werkwijze volgens 8102878 EHN 10,081 7 de uitvinding nader warden uiteengezet. Tevens warden uitvoerings-vormen van dubbele kroezen volgens de uitvlnding beschreven.

In de tokening hebben de figuren de volgende betekenis.

Fig. 1 toont in doorsnede een dubbele kroes waarbij de inhoud van de 5 binnenkroes kan warden verhit door roiddel van een hoogfrequent elec-trisch veld.

Fig. 2 toont in doorsnede een andere uitvoeringsvom van een dubbele kroes volgens de uitvinding.

De inrichting volgens figuur 1 bestaat uit een dubbelwandige 10 binnenkroes 1 uit kwarts, die in de bodem is vcorzien van een uitstroam-opening 2. In de ruimte ansloten door de dubbele wand van kroes 1 is een spoel uit koperdraad 3 ondergebracht, de stroom toevoergeleiders 4 en 5 zijn gedeeltelijk cmgeven door koelmiddeltoevoer 6 en afvoer 7, waar-door als koelmiddel gedestilleerd water van argevingstemperatuur (ca 15 20°C) kan warden geleid, waarmede de binnen en de buitenwand van kroes 1 wordt gekoeld. De temperatuur van de kroeswanden wordt op een waarde beneden de vezeltrektemperatuur gehouden van kemglas 10 en mantelglas 11. Tegen de wand van kroes 1 vorirrt zich een vaste laag uit glas 8 uit mantelglas 11 en glas 9 uit kemglas 10. Deze lagen voorkomen het op-20 lossen van krcesmateriaal in de beide glazen 10 en 11 en voorkcmen tevens, dat verontreinigingen uit de wand van kroes 1 in deze glazen 10 en 11 kunnen diffunderen.

Het is duidelijk dat bij de vervaardiging van optische vezels met behulp van de inrichting volgens fig.- 1 het in qptisch 25 qpzicht kritische grensvlak 12 tussen kern en mantelglas tegen veront-reiniging door kroesmateriaal en daaruit bij de vezeltrektemperatuur diffundeerbare verontreinigingen afdoende wordt beschenrd. Dit geldt ook indien hogere vezeltrektemperaturen warden toegepast dan de tot nu toe gebruikelijke, waardoor een grotere keuze aan glassamenstellingen ter 30 beschikking katit. Dit is een van de belangrijkste voordelen van de uitvinding cndat nu glassamenstellingen kunnen warden toegepast met een minimale intrinsieke Rayleigh-strooiing in het interesserende golf-lengtegebied.

De inrichting volgens figuur 1 cravat verder nog een buiten-35 kroes 13 en een oven 14 voorzien van een electrische weerstandsver-hittlngsspiraal 15. Beide kroezen 1 en 13 warden na vullen met bijvoor-beeld een glasfrit van de benodigde samenstellingen voor kern en mantelglas hermetisch afgesloten met de deksels 16 en 17. Daama wordt het 81 02 8 78 >J V-

1L

PHN 10,081 8 veld, de koeling en de oven 14, ingeschakeld en het glas in de binnenkroes 1 verhit door bestraling (niet getekend) tot het glas vermogen uit het veld begint op te nemen. Door de gasdruk in de kroezen boven de glazen te regelen kunnen de uitstroansnelheden uit de kroezen 1 5 en 13 warden geregeld. Het uit de kroezen stramende glas wordt op de gebniikelijke wijze tot een vezel uitgetrokken.

In de inrichting, die in figuur 2 schematisch is aangegeven heeft de binnenkroes 1 een cylindrische vorm. De cij fer-aanduidingen heb-ben dezelfde betekenis als in figuur 1. De buitenste kroes is voorzien 10 van een 1 anger uitstroomkanaal 20 dat eveneens door de oven 14 wordt verwarmd. Door de iretaaldraadwikkeling 3 dieper of minder diep in de door dubbele wand van kroes 1 omsloten ruimte te laten zakken kan de af-meting van de laag vast glas 8 en 9 in het bijzonder aan de onderzijde warden geregeld, hierdoor wordt de diameter van de uitstrcomopening 2 15 bepaald en daarmede de diameterverhouding tussen kemglas en totale diameter van de vezel» 20 25 30 35 81 02 8 78

Claims (6)

1. Werkwijze voor de continue fabricage van optische vezels bestaande uit een kemglas en tenminste een mantelglas met behulp van de dubbele kroesmetbode met het kenmerk, dat tenminste het kemglas wordt verhit door middel van een hoogfrequent electrisch veld in een 5 kroes uit een materiaal, met geringe dielectrische verliezen bij de freguentie van het gebmikte veld terwijl deze kroes gekoeld wordt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de uit-strocmsnelheid van het kemglas en het mantelglas (de mantelglazen) constant wordt gehouden door de druk van de gasatmosf eer boven het 10 kemglas en het mantelglas (de mantelglazen) te regelen.

3. Optische glasvezel verkregen met een werkwijze volgens conclusie 1-2.

4. Inrichting voor het trekken van optische glasvezels volgens de dubbele kroesmetbode omvattende tenminste twee concentrisch opge- 15 stelde kroezen die in de bodern van cpeningen zijn voorzien die in een lijn met elkaar liggen met het kenmerk, dat tenminste de binnenste- kroes dubbelwandig is uitgevoerd, waarbij in de door de dubbele wand cmsloten ruimte een metaaldraadwikkeling aanwezig is en middelen aanwezig zijn cm een koelvloeistof door deze ruimte te leiden.

5. Inrichting volgens ccnclusie 3 met het kenmerk, dat de binnenkrces uit kwarts bestaat.

6. Inrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn cm de draadwikkeling dichter bij of verder af van de uit-strocttiopening van de binnenkrces te brengen. 25 30 35 81 02 8 78