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Die Erfindung betrifft eine Krümmungsunempfindliche Gradientenindex-Multimode-Lichtleitfaser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Standard-Gradientenindex-Multimode-Lichtleitfaser, nachfolgend als GIMM-Faser bezeichnet, besteht aus einem Faserkern mit einem so genannten alpha-Brechzahlprofil, bei dem die Brechzahldifferenz des Kerns gegenüber einem umgebenden Mantel im Wesentlichen eine Potenzfunktion des Radius ist. Der Kern besteht aus dotiertem Quarzglas und der Mantel aus vorzugsweise undotiertem Quarzglas. Derartige Fasern werden schon seit vielen Jahren verwendet.
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Bekannt ist, dass sich die so genannten Makrokrümmungsverluste derartiger Fasern dadurch reduzieren lassen, indem zwischen den zentralen Kern und den umgebenden Mantel ein so genannter Brechzahlgraben eingefügt wird. Der Brechzahlgraben ist ein Bereich, in dem die Brechzahl sowohl gegenüber dem Kern als auch gegenüber dem Mantel abgesenkt ist. Derartige Fasern bezeichnet man auch als bend insensitive multimode fibers mit der Abkürzung BIMMF. Das Makrokrümmungsverhalten derartiger BIMMF hinsichtlich eines Dämpfungszuwachses, der Messwellenlängen, der Windungsanzahl und des Krümmungsradius wird im Rahmen international vereinheitlichter Spezifikationen beschrieben.
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Eine Folge dieses Grabenkonzeptes zur Verminderung der Makrokrümmungsverluste ist es, dass in einer BIMM-Lichtleitfaser neben den üblicherweise auftretenden ausbreitungsfähigen Moden in Abhängigkeit von den Anregungsbedingungen auch so genannte Leckmoden erzeugt werden. Eine dieser häufig auftretenden Anregungensarten wird als overfilled launch Anregung (OFL-Anregung) bezeichnet. Bei einer derartigen Anregung wird der unmittelbar lichtführende Kern der Lichtleitfaser durch Anregung mit einer Lichtquelle überstrahlt. Bei OFL-Anregungen werden Leckmoden erzeugt, die sich über mehrere hundert Meter ausbreiten können.
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Bei Standard-GIMM-Lichtleitfasern ohne das erwähnte Grabenkonzept lassen sich die Leckmoden nur auf einer Länge von einigen Millimetern von der Einkoppelstelle entfernt beobachten und besitzen keine praktische Bedeutung. In BIMMF mit Grabenstruktur werden die Leckmoden jedoch durch den Brechzahlgraben über eine längere Strecke geführt. Das bedeutet, dass der Zuwachs an Unempfindlichkeit gegenüber Makrokrümmungen, den man durch das Grabenkonzept der BIMMF gegenüber den Standard-GIMM-Lichtleitfasern erhält, durch den Nachteil der Leckmodenleitung, insbesondere bei einer OFL-Anregung, erkauft werden muss.
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Diese Leckmodenleitung wirkt sich negativ auf die von der Faserlänge abhängenden optischen Eigenschaften der Lichtleitfasern aus. GIMM-Lichtleitfasern werden hinsichtlich ihrer Lichtleiteigenschaften durch den Parameter des optischen Kerndurchmessers und der Numerischen Apertur bestimmt. Dabei wird von einer Anregung über den vollständigen Durchmesser des geometrischen Faserkerns ausgegangen. Der geometrische Faserkern ist durch den Aufbau der Lichtleitfaser bestimmt. Der optische Kerndurchmesser beschreibt im Gegensatz dazu den effektiv für die Lichtleitung nutzbaren Anteil des Faserkerns.
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Der optische Kerndurchmesser nimmt dabei mit zunehmender Länge der Lichtleitfaser ab. Dies ist in den oben geschilderten Leckmoden begründet, die aus dem Faserkern entweichen und somit den tatsächlich zur Lichtleitung geeigneten Kerndurchmesser der Lichtleitfaser bei zunehmender Faserlänge einschränken. Diese Leckmodendämpfung ist unabhängig von der so genannten Fasergrund-Dämpfung, die infolge des Fasermaterials auftritt. Sie hängt praktisch ausschließlich vom Brechzahlverlauf im Faserkern und allgemein über den Faserquerschnitt ab.
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Die von den Leckmoden verursachte Längsabhängigkeit des optischen Kerndurchmessers und der Numerischen Apertur ist auch unabhängig von der tatsächlich vorhandenen Makrokrümmung der Lichtleitfaser und damit auch von deren Verlegeart. Als Makrokrümmung werden üblicherweise Faserkrümmungen bezeichnet, bei denen die Faser axial mit einem Krümmungsradius im dm-, cm- oder mm-Bereich von der geraden Linie abweicht. Makrokrümmungsverluste resultieren nicht aus Leckmodenleitungen, sondern werden teilweise durch Moden höherer Ordnung verursacht, die bei zunehmender Krümmung nicht mehr im Kern geführt werden, so dass deren Leistungsanteil abgestrahlt wird und somit verloren geht. Weiterhin dämpfen Makrokrümmungen jede in der Faser geführte Mode, weil das elektromagnetische Feld weiter außen in den Fasermantel hinaus reicht. Diese Dämpfungszunahme ist umso größer, je kleiner der Biegeradius der Faser und je größer die Wellenlänge des geführten Lichtes ist. Die durch Leckmoden verursachte Längsabhängigkeit des optischen Kerndurchmessers tritt aber auch dann auf, wenn die Faser völlig gerade ausgerichtet ist.
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Man kann praktisch also eine Lichtleitfaser schaffen, die wenig empfindlich gegenüber Makrokrümmungen ist. Aber dadurch prägt man eine hohe Leckmodenleitung in die Lichtleitfaser ein, die sich unabhängig von der Verlegeart der Lichtleitfaser nur noch eingeschränkt beeinflussen lässt.
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Infolge der Leckmodendämpfung erreicht der optische Kerndurchmesser mit zunehmender Faserlänge einen im wesentlichen konstanten Wert, jedoch sind die Kopplungseigenschaften der Lichtleitfaser durch diesen Dämpfungseffekt verschlechtert und hängen außerdem noch von der Länge der Lichtleitfaser ab.
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Bei krümmungsunempfindlichen GIMM-Lichtleitfasern ist daher eine möglichst geringe Änderung des optischen Kerndurchmessers und der Numerischen Apertur in Abhängigkeit von der Faserlänge wünschenswert. Zur Charakterisierung der Abhängigkeit des optischen Kerndurchmessers von der Faserlänge dient eine nach dem internationalen GIMMF-Standard festgelegte Messvorschrift. Dabei wird der optische Kerndurchmesser an einem 2 m langen Faserstück im Rahmen einer Standardmessung bestimmt und mit dem optischen Kerndurchmesser bei einer zweiten Faserlänge, beispielsweise bei 300 oder 1000 m verglichen. Man wählt hierzu im Allgemeinen Faserlängen, bei denen sich die Längenabhängigkeit des optischen Kerndurchmessers deutlich zeigt.
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Ein weiteres Problem bei der Verwendung der BIMM-Fasern besteht darin, dass die für eine Spezifizierung der Faser und zur Bestimmung von Faser-, Spleiß- und Kopplungsverlusten wichtigen Parameter wie zum Beispiel der optische Kerndurchmesser oder dessen NA nicht auf einfachem Wege bestimmt werden können. Die bei Verwendung von Standard-GIMM-Fasern ausgelegten Messverfahren durch OFL-Anregung ermittelten Faserparameter erweisen sich bei der Anwendung auf BIMM-Fasern als zu groß. Dies führt zu Missinterpretationen hinsichtlich der abzuschätzenden Spleiß- und Kopplungsverluste als auch bei Kompatibilitätsbetrachtungen der Messwerte im Vergleich zu Standard-GIMM-Fasern.
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Es besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine krümmungsunempfindliche GIMM-Lichtleitfaser anzugeben, die unter den Bedingungen der auftretenden Leckmoden einen Aufbau aufweist, bei dem eine möglichst geringe Längenabhängigkeit des optischen Kerndurchmessers gewährleistet ist. Es soll erreicht werden, einerseits eine Lichtleitfaser zu schaffen, die hinreichend unempfindlich gegen Makrokrümmungen ist, bei der aber andererseits die Leckmodenausbreitung nachhaltig minimiert ist. Dies betrifft insbesondere möglichst optimale Parameter des optischen Kerndurchmessers und der Numerischen Apertur der Lichtleitfaser bei OFL-Anregungen bei gleichzeitiger Erfüllung von Makrokrümmungs-Mindestanforderungen.
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Diese Aufgabe wird mit einer krümmungsunempfindlichen GIMM-Lichtleitfaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Krümmungsunempfindliche GIMM-Lichtleitfaser mit einem optischen Kerndurchmesser und einer Numerischen Apertur besteht aus einem Kern, einem inneren Mantel oder Steg, einem Brechzahlgraben und einem äußeren Mantel. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Kern einen Kernradius, ein alpha-Brechzahlprofil und eine Kern-Brechzahldifferenz bezüglich des äußeren Mantels aufweist, der Brechzahlgraben einen Grabenradius und eine Graben-Brechzahldifferenz bezüglich des äußeren Mantels aufweist und der äußere Mantel einen äußeren Mantelradius und eine Brechzahl zwischen 1,40 und 1,55 aufweist, wobei diese Parameter so eingestellt sind, dass bei einer Lichtwellenlänge von 850 nm und bei einer vollen Kernanregung (OFL) der optische Kerndurchmesser bei einer Faserlänge im Bereich von 2 Meter und 300 Meter um weniger als 5% und die Numerische Apertur um weniger als 2,5% abnimmt und die krümmungsbezogene Dämpfungserhöhung bei 2 Windungen und einem Krümmungsradius von 7,5 mm weniger als 0,2 dB beträgt.
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Der erfindungsgemäße Faseraufbau der krümmungsunempfindlichen GIMM-Lichtleitfaser geht somit von einem Kern mit einem alpha-Brechzahlprofil aus und kombiniert diesen mit einem Brechzahlgraben und einem den Kern umgebenden Mantel. Dabei weist der Kern eine positive Brechzahldifferenz zum umgebenden Mantel auf, während der Brechzahlgraben im Vergleich zum Mantel in seiner Brechzahl erniedrigt ist. Grundidee des erfindungsgemäßen Faseraufbaus ist es nun, die Dimensionierungen des Kerns, des Brechzahlgrabens und des Mantels so einzustellen, dass eine möglichst niedrige Längenabhängigkeit des optischen Kerndurchmessers und der Numerischen Apertur erreicht wird. Dabei wird die krümmungsbezogene Dämpfungserhöhung unter den genannten Wert gedrückt.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Faseraufbaus ist der Kern von einem inneren Mantel umgeben, wobei der innere Mantel einen inneren Mantelradius und eine innere Mantel-Brechzahldifferenz bezüglich des äußeren Mantels aufweist.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist die innere Mantel-Brechzahldifferenz bezüglich des äußeren Mantels einen Wert von 2·10^ – 3 bis 3·10^ – 3 auf.
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Weiterhin kann im Brechzahlprofil zwischen dem Kern und dem inneren Mantel ein Steg mit einer endlichen Stegbreite B vorgesehen sein. Die Stegbreite beträgt bei einer Ausführungsform 1 bis 5 μm.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der Kern einen geometrischen Kerndurchmesser zwischen 48 und 50 μm bei einer Numerischen Kernapertur von 0,18 bis 0,22 und einer Kern-Brechzahldifferenz zwischen 12·10^ – 3 und 17·10^ – 3 gegenüber dem äußeren Mantel auf. Dabei beträgt die Brechzahldifferenz des inneren Mantels gegenüber dem äußeren Mantel Null, die Breite des Brechzahlgrabens von 2 bis 5 μm und die Tiefe des Brechzahlgrabens –6 bis –11·10^ – 3.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Kern einen Kern-Brechzahlsprung auf, wobei der Kern-Brechzahlsprung einen Wert zwischen –1,0 und 1,0·10^ – 3 aufweist Der Gesamtfaserdurchmesser beträgt bei einer Ausführungsform zwischen 120 und 130 μm.
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Es kann weiterhin ein die Lichtleitfaser umgebendes äußeres Coating vorgesehen sein, wobei der Durchmesser des Coatings 230 bis 510 μm beträgt.
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Die erfindungsgemäße krümmungsunempfindliche GIMM-Lichtleitfaser soll nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 3. Es werden für gleiche oder gleichwertige Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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1 ein erstes beispielhaftes Brechzahlprofil mit einem Gradientenindex-Kern und einem Brechzahlgraben,
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2 ein zweites beispielhaftes Brechzahlprofil mit einem Gradientenindexkern mit einer Kernbrechzahl-Stufe, einem unmittelbar an den Kern anschließenden Steg und einem daran anschließenden Brechzahlgraben,
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3 ein drittes beispielhaftes Brechzahlprofil mit einem Gradientenindexkern und einem inneren Mantel mit einer inneren Mantel-Brechzahldifferenz im Verhältnis zum äußeren Mantel,
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1 zeigt ein erstes beispielhaftes Brechzahlprofil der krümmungsunempfindlichen GIMM-Lichtleitfaser. Die Abbildung zeigt die Brechzahldifferenz gegenüber einem Referenzwert in Abhängigkeit vom Radius der Lichtleitfaser. Die Lichtleitfaser weist einen Kern
1 mit einem so genannten alpha-Brechzahlprofil auf. Der allgemeine Verlauf der Brechzahldifferenz wird beispielweise durch die Formel
beschrieben. Dabei ist dn1 die Brechzahldifferenz im Zentrum der Faser bei R = 0, R1 der Kernradius und α der so genannte Profilexponent. Der durch diese Formel bestimmte Verlauf des Kernprofils beschreibt eine Näherung des tatsächlich hergestellten Profilverlaufs. Für die weitere Darstellung ist die Abweichung des realen vom idealen Brechzahlverlauf von untergeordneter Bedeutung, denn die Abweichungen sind in modernen GIMM-Lichtleitfasern im allgemeinen sehr gering.
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Der Kern 1 ist von einem inneren Mantel 2 und einem Graben 3 umgeben. An den Graben schließt sich nach außen hin ein äußerer Mantel 4 an. Der innere Mantel weist einen Radius R2 auf, der Graben weist einen Radius R3 und eine Grabenbreite b auf. Die Brechzahl des Grabens ist auf die Brechzahl des äußeren Mantels bezogen erniedrigt und zeigt sich im Profil als eine Grabentiefe dn3.
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In dem hier vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, dass der innere Mantel 2 auf dem gleichen Brechzahlniveau wie der äußere Mantel 4 liegt. Ein beispielhaftes Faserdesign mit dem hier vorliegenden Brechzahlprofil weist beispielsweise folgende Werte auf: R1 ~ 24 μm; R2 ~ 27 μm; Kern-NA 0,20; dn1 ~ 13,8·10^ – 3; b ~ 3 μm; dn3 ~ –9·10^ – 3; Radius der Gesamtfaser – 62,5 μm mit einem Radius eines umgebenden Coatings von etwa 122 μm.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Es befindet sich am Kernanfang bei R1 eine Kernbrechzahlstufe 1a mit einem Kern-Brechzahlsprung in der Höhe dn4. Der Kern-Brechzahlsprung dn4 bezieht sich auf die äußere Mantelbrechzahl und kann sowohl positive (0 bis 1·10^ – 3) als auch negative
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Werte (0 bis –1·10^ – 3) annehmen. Der Kernradius R1 und die Kernbrechzahl dn1 entsprechen im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel aus 1. Auch bei diesem Faserdesign ist der Kern 1 von einem inneren Mantel 2 und einem Graben 3 umgeben. Der innere Mantel 2 besitzt einen Radius R2, der Grabenradius beträgt R3.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der innere Mantel ein erniedrigtes Brechzahlniveau als der äußere Mantel aufweist. Es liegt somit eine innere Mantel-Brechzahldifferenz dn2 bezüglich des äußeren Mantels vor. Beispielhafte Werte für dn2 liegen im Bereich 2·10^ – 3 bis ca. –3·10^ – 3. In dem Ausführungsbeispiel aus 3 können alle anderen Parameter im Wesentlichen wie bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 gestaltet sein.
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Die erfindungsgemäße Lichtleitfaser wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausgestaltungen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kern
- 1a
- Kern-Brechzahlstufe
- 2
- innerer Mantel
- 3
- Brechzahlgraben
- 4
- äußerer Mantel
- 5
- Steg = Kurzbezeichnung für den inneren Mantel
- R1
- Kernradius
- R2
- innerer Mantel-Radius
- R3
- äußerer Brechzahlgrabenradius
- dn1
- Kern-Brechzahldifferenz
- dn2
- innere Mantel-Brechzahldifferenz
- dn3
- Graben-Brechzahldifferenz
- dn4
- Brechzahlsprung an der Kerngrenze gegenüber der äußeren Mantelbrechzahl
- b
- Brechzahlgrabenbreite b = R3 – R2
- B
- Stegbreite B = R2 – R1
