DE19849383A1

DE19849383A1 - Lichtleitfaser aus Kunststoff

Info

Publication number: DE19849383A1
Application number: DE19849383A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dultz
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: 3M Deutschland GmbH
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-03-02

Abstract

Bei einer Lichtleitfaser aus Kunststoff ist der Kern der Faser aus dämpfungsarmen lichtleitendem Kunststoff von einer inneren, dämpffungsarmen Schicht kleinerer Brechzahl und von einer äußeren, stärker lichtabsorbierenden Schicht umgeben. Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß der Kern der Faser aus dämpfungsarmen, lichtleitendem Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser aus Kunststoff.

Lichtleitfasern aus Kunststoff (engl. plastic optical fibres, POF) stellen ein für den breiten Einsatz gut geeignetes Übertragungsmedium für Lichtwellen im Rahmen der Nachrichtentechnik dar. Zur Herstellung dieser Fasern werden als Kernmaterial hauptsächlich polymerisierte Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polystyren (PS) verwendet. Als Mantelsubstanzen benutzt man fluorierte Polymere, Silikone oder PMMA. Kunststoff-Lichtleitfasern können im Gegensatz zu solchen aus Glas mit großen Durchmessern hergestellt werden. Kunststoff-Fasern haben hohe numerische Aperturen. Sie weisen eine gute Bruchfestigkeit auf und können leicht gehandhabt werden. Ferner ermöglichen sie eine einfache Verbindungs- und Anschlußtechnik, da sie geringe Präzisionsanforderungen stellen. Der Kerndurchmesser einer POF entspricht fast dem Außendurchmesser, während er bei den üblichen Glasfasern im Bereich der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes liegt. Typische Durchmesser der POF liegen nach H. Hultzsch: "Optische Telekommunikationssysteme", Damm-Verlag, Gelsenkirchen bei der Größenordnung 1 mm.

Wegen der großen Kerndurchmesser und numerischen Aperturen führen Kunststoff-Fasern eine große Anzahl von sogenannten Moden, das sind Lichtbündel, die unter verschiedenen Winkeln den Wellenleiter durchlaufen. Mit wachsendem Winkel steigt die Ordnungszahl der Moden, verlängert sich der Lichtweg im Wellenleiter, steigt die Zahl der Reflexionen im Grenzbereich zwischen Kern und Mantel und die Eindringtiefe des Lichts in den Mantel nimmt zu.

Nachrichten werden in derartigen Lichtleitern in Form von Lichtpulsen übertragen. Durch die Laufzeitunterschiede zwischen den Moden werden die Lichtpulse stark verbreitert (Modendispersion).

Bislang sind nur sogenannte Stufenindexfasern erhältlich, die im günstigsten Fall eine Bandbreite von 170 MHz bei einer Gesamtlänge von 100 m ermöglichen. Diese Werte sind für zukünftige Breitbandnetze aber zu niedrig.

Zur Erhöhung der Übertragungsbandbreite wird seit vielen Jahren an der Entwicklung von Gradienten-Kunststoff-Fasern gearbeitet, die statt des Stufenindexprofils einen parabelförmigen Brechzahlverlauf im Faserkern aufweisen und dadurch die Laufzeitdifferenzen zwischen den Moden ausgleichen (siehe auch H. Hultzsch: "Optische Telekommunikationssysteme", Damm-Verlag, Gelsenkirchen). Allerdings sind die Herstellungsverfahren für diese Gradientenfasern sehr aufwendig und teuer. Sie sind kommerziell bislang nicht zu verwerten und es ist nicht abzusehen, wann dieser Fasertyp zu wirtschaftlich vertretbaren Preisen herstellbar sein wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtleitfaser aus Kunststoff anzugeben, die vergleichsweise einfach und preiswert herstellbar ist und die eine geringere Modendispersion als herkömmliche Stufenindexfasern aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kern der Faser aus dämpfungsarmem lichtleitendem Kunststoff von einer inneren, dämpfungsarmen Schicht kleinerer Brechzahl und von einer äußeren, stärker lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist. Die vorliegende Erfindung beschreibt einen neuen Typ von Stufenindex-Kunststoff-Fasern, der sich mit bekannten Mitteln herstellen läßt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Dicke der dämpfungsarmen Schicht zwischen 0,3 µm und 3 µm liegt.

Alternativ dazu wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, daß der Kern der Faser aus dämpfungsarmem, lichtleitendem Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist. In Fällen, in denen die Faser den optischen Anforderungen genügt, kann somit die Zwischenschicht entfallen.

Wird in die erfindungsgemäße Faser ein Lichtkegel eingestrahlt, der die numerische Apertur der Faser ausfüllt, so werden beim Durchlaufen der Faser die höheren Moden aufgrund ihrer größeren Eindringtiefe in den Mantel und der höheren Zahl der Reflexionen absorbiert. Am Faserende tritt ein schmaler Lichtkegel mit wesentlich verringerter Apertur aus. Er enthält nur die inneren Moden mit kleiner Ordnungszahl. Dadurch ergibt sich eine wesentlich vergrößerte Übertragungsbandbreite bei erhöhten Verlusten. Weil aber die Entwicklung neuer, dämpfungsärmerer Kunststoffe voranschreitet, ist dieser Nachteil nicht von Bedeutung. Außerdem genügt die zur Zeit mit Kunststoff-Fasern erreichbare Dämpfung durchaus den Anforderungen kurzer und mittlerer Übertragungsstrecken.

Wenn dagegen mit einem schmalen Lichtkegel in die Faser eingestrahlt wird, so daß nur ein Teil der Apertur ausgefüllt wird, wandelt sich ein Teil der Lichtleistung an Krümmungen oder durch Kerninhomogenitäten in Moden höherer Ordnung um. Diese werden wiederum aufgrund ihrer größeren Eindringtiefe in den Mantel und der höheren Zahl der Reflexionen absorbiert. Der Lichtkegel bleibt im Ergebnis nahezu unverändert; er besteht nach wie vor aus vorwiegend achsennahen Moden und weist eine geringe Modendispersion auf. Dabei sind die Verluste durch die Absorption der hohen Moden gering, da die Umwandlung in höhere Moden begrenzt bleibt.

Die erfindungsgemäße Beschichtung der Faser kann auch bei Gradientenfasern angewendet werden, um durch fertigungstechnisch bedingte Ungenauigkeiten erzeugte Moden höherer Ordnung und dadurch bedingte zusätzliche Dispersion zu verringern.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht größer als 1 µm ist. Es ist vorteilhaft, wenn die lichtabsorbierende Schicht eine Dämpfung zwischen 10⁴ dB/km und 10⁷ dB/km aufweist.

Die hohe Dämpfung der lichtabsorbierenden Schicht wird durch den Zusatz kleiner Mengen von Kobalt, Chrom, Mangan oder Eisen in eine Kunststoffmatrix erreicht. Auch Dotierungen mit Seltene-Erde-Oxiden oder anderen Substanzen, die im Bereich der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes eine hohe Absorption aufweisen, sind möglich. Ein Zusatz von 2 ppm Kobalt-Ionen führt zu einer Dämpfung von 10000 dB/km bei einer Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes von 650 nm.

Zur Herstellung des neuen Fasertyps können bekannte Vorrichtungen so modifiziert werden, daß die zur Herstellung des Faserkerns und der Schichten vorgesehenen Substanzen in einer Extrudiervorrichtung durch drei konzentrisch angeordnete Spinndüsen umeinander gespritzt werden.

Kunststoff-Fasern werden bislang auch aus Vorformen gezogen. Vorformen sind Stäbe mit einem typischen Durchmesser von einigen Zentimetern und einer Länge in der Größenordnung von 1 m. Das Ende der Vorform wird zum Ausziehen der Faser erwärmt. Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Faser durch Ziehen ist vorgesehen, daß ein Kunststoffstab aus dem für die Herstellung des Faserkerns vorgesehenen Material mit einer Hülle aus dem für die Herstellung der lichtabsorbierenden Schicht vorgesehenen Material umgeben wird, wobei der Zwischenraum zwischen dem Stab und der Hülle mit dem für die Herstellung der dämpfungsarmen Schicht vorgesehenen Material ausgefüllt wird und daß aus dem somit gewonnenen Rohling eine Faser gezogen wird.

Um die Vorteile der Erfindung zu nutzen, ist es auch möglich, denjenigen Teil einer optischen Übertragungsstrecke, der unmittelbar vor einem Empfänger angeordnet ist, mit einer erfindungsgemäßen Faser auszuführen. Der restliche Teil wird mit einer herkömmlichen Faser ausgeführt. Das Endstück der Übertragungsstrecke wirkt dabei als Modenfilter.

Claims

1. Lichtleitfaser aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Faser aus dämpfungsarmem lichtleitendem Kunststoff von einer inneren, dämpfungsarmen Schicht kleinerer Brechzahl und von einer äußeren, stärker lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.

2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dämpfungsarmen Schicht zwischen 0,3 µm und 3 µm liegt.

3. Lichtleitfaser aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Faser aus dämpfungsarmem, lichtleitendem Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.

4. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht größer als 1 µm ist.

5. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht eine Dämpfung zwischen 10⁴ dB/km und 10⁷ dB/km aufweist.

6. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Beeinflussung ihrer Dämpfung mit Substanzen versetzt ist, welche in dem Wellenlängenbereich des zu übertragenden Lichtes eine hohe Absorption aufweisen.

7. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Erhöhung ihrer Dämpfung mit Oxiden von Seltene-Erden-Elementen versetzt ist.

8. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Erhöhung ihrer Dämpfung mit Metallionen versetzt ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung des Faserkerns und der Schichten vorgesehenen Substanzen in einer Extrudiervorrichtung durch konzentrisch angeordnete Spinndüsen umeinander gespritzt werden.

10. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoffstab aus dem für die Herstellung des Faserkerns vorgesehenen Material mit einer Hülle aus dem für die Herstellung der lichtabsorbierenden Schicht vorgesehenen Material umgeben wird, wobei der Zwischenraum zwischen dem Stab und der Hülle mit dem für die Herstellung der dämpfungsarmen Schicht vorgesehenen Material ausgefüllt wird und daß aus dem somit gewonnenen Rohling eine Faser gezogen wird.

11. Übertragungsstrecke bestehend aus mindestens einer optisch leitenden Faser, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Empfänger eine Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.