DE1640559B2

DE1640559B2 - Dielektrischer wellenleiter

Info

Publication number: DE1640559B2
Application number: DE1967J0034816
Authority: DE
Inventors: Charles Cecil; Kao Charles Kuen; Harlow Essex Eaglesfield (Großbritannien)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1966-10-18
Filing date: 1967-10-17
Publication date: 1976-06-24
Also published as: DE1640559A1; US3549233A; DE1640559C3; GB1145630A; CH477099A

Description

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Wellenleiter für die Übertragung elektromagnetischer Energie, bestehend aus einem zylindrischen Kern aus transparentem dielektrischem Werkstoff mit geringer Dämpfung und einer ihn in inniger Berührung umgebenden ersten zylindrischen Schicht, deren Brechungsindex kleiner ist «lsderdes Kerns.

Es sind dielektrische Wellenleiter bekannt, welche aus einem vorwiegend zylindrischen Kern und einer Hülle bestehen, wobei der Brechungsindex des Hüllenwerkstoffes kleiner ist als der des Kernwerkstoffes (Aufsätze: »Dielectricfibre surface waveguides for optical frequendes« in Institution of Electrical Engineers Proceedings Heft 7/1966, Seiten 1151 bis 1158, und »Die Faseroptik und ihre Anwendung in der Technik« in radio und fernsehen Heft 5/1963, Seiten 132 ff).

Bei dielektrischen Wellenleitern breitet sich der erwünschte Wellentyp nicht nur im Kern des Wellenleiters aus, sondern er dringt auch in den nahe am Kern eeleeenen Teil der Hülle ein. Obwohl seine Intensität in der Hülle mit zunehmendem Radius sehr rasch abfällt und bereits in einem geringen Abstand vom Kern als vernachlässigbar betrachtet werden kann, ist es doch erforderlich auch die Hülle aus einem kostspieligen Werkstoff mit niedriger Dämpfung herzustellen.

Bei diesen bekannten Wellenleitern handelt es sich um sogenannte Multimode-Fasern, in denen sich eine große Anzahl von Wellentypen, welche auch Moden genannt werden, ausbreiten können.

ίο Die verschiedenen Wellentypen durchlaufen den Wellenleiter mit unterschiedlicher Geschwindigkeit so daß die von den verschiedenen Wellentypen übertragenen Nachrichten am Ende des Wellenleiters zu unterschiedlichen Zeiten ankommen, obwohl sie an

is seinem Anfang gleichzeitig abgesandt werden. Daher wäre für die Nachrichtenübertragung ein dielektrischer Wellenleiter erwünscht in dem sich nur ein einziger Wellentyp ausbreitet

Zwar ist es möglich, beim bekannten Wellenleiter durch eine entsprechende Dimensionierung die Anzahl der Wellentypen, die sich in ihm ausbreiten können, sehr stark zu verringern. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, daß der Kerndurchmesser verkleinert wird oder die Differenz der Brechungsindizes von Kern und Schicht verkleinert wird.

Wenn man beispielsweise den bekannten Wellenleiter so ausbildet daß sich in ihm nur ein Wellentyp fortpflanzt und bei ihm die Differenz der Brechungsindizes von Kern und Schicht 1% beträgt, dann muß der

,ο Kern einen sehr geringen Durchmesser von beispielsweise 3 μπι besitzen. Ein solcher Wellenleiter weist den Nachteil auf, daß das Einleiten der zu übertragenden Wellen, das Verbinden der Fasern und die Herstellung von Kupplungen außerordentlich erschwert ist Wird

3<, dagegen die Differenz der Brechungsindizes auf 0,01% verringert, so kann der Wellenleiter einen wesentlich dickeren Kern, beispielsweise mit einem Durchmesser von 30 μπι besitzen. Ein solcher Wellenleiter besitzt aber den Nachteil, daß er an Krümmungen beträchtliche Strahlungsverluste aufweist, so daß er schwierig zu einem Kabel zu verseilen und zu verlegen ist.

Im allgemeinen wird daher angestrebt, die Stärke der Schicht gering zu halten, sei es um die Werkstoffkosten zu vermindern, den Raumbedarf klein zu haiten oder die

_4S Biegefähigkeit zu erhöhen. Je nach der für die Übertragung verwendeten Wellenlänge kann der eine oder andere Gesichtspunkt an Gewicht gewinnen und die Dimensionierung beeinflussen.

In jedem Fall muß die Schichtstärke so groß sein, daß praktisch das gesamte Feld des Wellentyps darin eingeschlossen ist. Bei der Übertragung von Wellenlängen im Millimeterbereich bestimmt der Raumbedarf die Dimensionierung und die Schichtdicke kann auf ca. 10 Wellenlängen begrenzt werden, vorausgesetzt, die Differenz der Brechungsindices ist groß.

Bei kürzeren optischen Wellenlängen kann eine geringere Differenz der Brechungsindices und eine Schichtdicke von etwa 100 Wellenlängen gewählt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen dielektrischen Wellenleiter zu schaffen, in dem sich nur ein Wellentyp ausbreiten kann und der dennoch keinen Kern mit e>trem kleinem Durchmesser besitzt und bei dessen Herstellung, nur noch einer geringen Menge des teuren Werkstoffes mit geringer Dämpfung benötigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste zylindrische Schient aus transparentem

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dielektrischen Werkstoff besteht und in engem Kontakt mit einer zweiten sie umgebenden zylindrischen Außenschicht aus dielektrischem Werkstoff steht, welche den gleichen Brechungsindex, jedoch eine höhere Dämpfung als die erste Schicht besitzt s

Weitere .vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 enthalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert Es zeigt

Fi g. 1 einen Querschnitt durch den neuen dielektrisehen Wellenleiter und

Fig.2 einen Längsschnitt durch den Wellenleiter gemäß Fig. 1.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Wellenleiter besteht der Kern 1 aus einer Glasfaser, die von einer inneren Glasschicht 2 umgeben ist, welche ihrerseits mit einer äußeren Glasschicht 3 ummantelt ist Seine Herstellung kann in folgender Weise erfolgen: Ursprünglich besitzen der Kern und die beiden Schichten einen größeren Durchmesser und sind koaxial zueinander angeordnet Diese Anordnung wird erhitzt, bis das Glas flüssig wird. Gleichzeitig wird die konzentrische Anordnung in Längsrichtung gestreckt, bis die Fasern die gewünschten Dimensionen besitzen. Beim Ziehen des zähflüssigen Glases schrumpfen die ursprünglich getrennten Schichten ineinander. Der Brechungsindex des Kerns und der Schichten und die Durchlässigkeit der äußeren Schicht hängen von der Zusammensetzung des verwendeten Glases ab.

Bezüglich des Brechungsindex ist folgendes festzustellen: Der Brechungsindex eines idealen, vollständig transparenten Werkstoffes ist eine reelle Größe und wird mit η bezeichnet Jeder physikalische Werkstoff besitzt jedoch bestimmte Verluste; daher ist sein Brechungsindex eine komplexe Größe, welche mathematisch als n+ik geschrieben wird. Darin ist η der Realteil und k der Imaginärteil des Brechungsindex. Da im allgemeinen fcsehr viel kleiner ist eis η, ist es üblich, η als den Brechungsindex zu bezeichnen, k ist ein Maß für die Trübung des Werkstoffes.

Wenn man nun die Übertragungseigenschaften des neuen Wellenleiters betrachtet, so stellt man fest, daß in ihm zwei Wellentypen entstehen können.

Wie in F i g. 2 verdeutlicht, entsteht der eine Wellentyp (x) durch Reflexion an der Grenzfläche zwischen innerer Schicht 2 und äußerer Schicht 3. Da beide Schichten den gleichen Brechungsindex besitzen, beruht die Reflexion ausschließlich auf der Änderung in der Trübung und ist nicht erheblich, mit Ausnahme der Wellentypen, welche die Grenzfläche beim Einfall nur streifen. Erfolgt dagegen der Einfall weniger flach, dann dringen die Wellen in die äußere Schicht ein und werden an der Oberfläche des Wellenleiters vollständig reflektiert (vorausgesetzt, die äußere Schicht ist von Luft umgeben). Auf diese Weise entsteht ein weiterer Wellentyp (y).

Beide Wellentypen werden bedämpft; der erste durch unvollständige Reflexion und der zweite durch den zweifachen Durchgang durch die teilweise getrübte äußere Schicht. Die Dämpfung des ersten Wellentyps wird größer wenn die äußere Schicht eine geringe Trübung besitzt; der zweite Wellentyp dagegen wird stärker gedämpft, wenn die äußere Schicht eine starke Trübung besitzt. Da keine dieser extremen Eigenschaf ten von Vorteil ist, sollte hinsichtlich der Trübung ein Kompromiß gefunden werden.

Wenn die äußere Schicht sehr dick gewählt wird, reicht schon eine geringe Trübung aus, um eine hohe Dämpfung des zweiten Wellentyps zu erreichen. In diesem Fall wird aber auch der erste Wellentyp stark gedämpft Eine solche Lösung ist ungünstig, weil die Stärke der äußeren Schicht nicht zu groß sein sollte, damit sie den Gesamtdurchmesser des Wellenleiters nicht unnötig vergrößert

Es erscheint annehmbar, daß der Gesamtdurchmesser des Wellenleiters den Außendurchmesser der inneren Schicht um etwa 10% übertrifft Eine solche Schichtdikke der äußeren Schicht erSaubt es, eine Trübung zu finden, bei der die Dämpfung für die am geringsten bedampften Arten beider Wellentypen gleich ist

Wenn man die beiden Wellentypen näher betrachtet, kann man die geeignete Trübung der äußeren Schicht berechnen.

Bei der Berechnung der Dämpfung für den ersten Wellentyp (x) pro axialer Längeneinheit erhält man hierfür folgende Beziehung:

8.68

UIb)

Darin bedeutet θ den Einfalls- bzw. Brechungswinkel dieses Wellentyps an der Grenze zwischen innerer Schicht 2 und äußerer Schicht 3, K den Dämpfungsbeiwert des Werkstoffes der äußeren Schicht 3 und d den Außendurchmesser der inneren Schicht 2.

Wenn man

cos H = 1.84

setzt, dann ergibt sich als niedrigste Dämpfung des ersten Wellentyps (χ)ρτο axialer Längeneinheit:

λ ist darin die im Dielektrikum gemessene Wellenlän ge. Es wurde für cos θ dieser Wert gewählt, weil die niedrigste Art des ersten Wellentyps (ty dem TEi ι-Mo dus in metallischen Hohlleitern entspricht und beim TEn-Modus ist

cos (-) = 1.84 '' ,

In gleicher Weise kann auch für den zweiten Wellentyp (y) die geringste Dämpfung pro axialer Längeneinheit berechnet werden. Sie ergibt sich zu

5 ^K (db)

Bei dieser Berechnung liegen die Randbedingungen zugrunde, daß sinö=l ist und daß der Gesamtdurchmesser des Wellenleiters um 10% größer ist als der Außendurchmesser der inneren Schicht 2.

Da vorausgesetzt wurde, daß beide Wellentypen gleich stark gedämpft werden sollten, müssen beide Ergebnisse gleichgesetzt werden. Daraus ergibt sich der Dämpfungsbeiwert:

Dies ist der Dämpfungsbeiwert für den angenommenen Fall, daß beide Wellentypen gleich stark gedämpft werden. Die geringste Dämpfung wird erreicht bei

3.6

Bei einer Wellenlänge des sichtbaren Lichtes von 0,5· 10-⁶ m und (//A= 100 (wie bereits früher vorausgesetzt) beträgt die minimale Dämpfung des zweiten Wellentyps (y) etwa 700 db/m. Dieser Wert liegt wesentlich höher als die minimale Dämpfung des ersten Wellentyps (x). so daß der zweite Wellentyp (y) vernachlässigt werden kann. Die Dämpfung des ersten Wellentyps (x) wird von den Eigenschaften der erhältlichen Kernwerkstoffe bestimmt; derzeit sind Werkstoffe erhältlich, deren Dämpfung 1 db/m beträgt, aber es ist anzunehmen, daß in Zukunft Werkstoffe mit 0,01 db/m erhältlich sind. Die Dämpfung des Schichtwerkstoffes beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 7500 db/m; somit reicht eine Schichtdicke von 3 mm aus, um eine vollkommene Undurchdringbarkeit zu erzielen.

Bei einer Wellenlänge im Millimeterbereich, z. B. lO-'m beträgt die kleinste Dämpfung bei <#λ=10 35 db/m. Um im Millimeterbereich einsetzbar zu sein.

darf der erste Wellentyp (x) höchstens eine Dämpfung von 0,01 db/m besitzen. Demgegenüber wird der zweite Wellentyp (y) sehr stark bedämpft, obwohl hier ein geringerer Sicherheitsabstand als bei den optischen Wellenlängen notwendig ist.

Die vorstehenden Betrachtungen wurden unter der Voraussetzung angestellt, daß der Brechungsindex der äußeren Schicht gleich dem der inneren Schicht ist. Wenn man nun untersucht, inwieweit diese Annahme zutrifft, so stellt man fest, daß es für die relative Änderung des Brechung'index der äußeren Schicht

( „ J einen kritischen Wert gibt, der bei -1/4 K liegt.

K liegt bei optischen Wellen etwa bei 10-⁴; diese Beiwerttoleranz ist mit Glas zu erreichen. Bei Millimeterwellen liegt AC bei 10~² diese größere Toleranz ist mit Kunststoff zu erreichen. Daraus läßt sich ersehen, daß zwar für die Fortpflanzung elektromagnetischer Energie bei optischen Frequenzen Glas der geeignete Werkstoff zu sein scheint, für die Übertragung anderer Frequenzen auch andere Werkstoffe verwendbar sind. So können beispielsweise mit durch Spritzen einfach herstellbaren Kunststoffasern auch zufriedenstellende Ergebnisse bei der Übertragung im Mikrowellenbereich erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Wellenleiter für die Übertragung elektromagnetischer Energie, bestehend aus einem zylindrischen Kern aus transparentem dielektrischen Werkstoff mit geringer Dämpfung und einer ihn in inniger Berührung umgebenden ersten zylindrischen Schicht, deren Brechungsindex kleiner ist als der des Kerns, dadurch gekennzeichnet, daß die erste zylindrische Schicht (2) aus transparentem dielektrischem Werkstoff besteht und in engem Kontakt mit einer zweiten sie umgebenden zylindrischen Außenschicht (3) aus dielektrischem Werkstoff steht welche den gleichen Brechungsindex, jedoch eine höhere Dämpfung als die erste Schicht (2) besitzt

2. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet daß der Außendurchinesser der Außenschicht (3) wenigstens um 5% größer ist als der Außendurchmesser (d) der ersten Schicht (2)·

3. Dielektrischer Wellenleiter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß der Dämpfungsindex des Werkstoffes der Außenschicht (3) weniger als das Zweifache des Quadrates aus dem Quotienten, der aus der zu übertragenden Wellenlänge und dem Außendurchmesser der ersten Schicht gebildet ist beträgt.

4. Dielektrischer Wellenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsindex etwa 70% des Quadrates aus dem Quotienten, der aus der zu übertragenden Wellenlänge und dem Außendurchmesser der ersten Schicht gebildet ist, beträgt.

5. Dielektrischer Wellenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der numerische Wert des aus dem Außendurchmesser der ersten Schicht und der zu übertragenden Wellenlänge gebildeten Quotienten zwischen 10 und 100 liegt.