DE2231680C2

DE2231680C2 - Faseroptikbündel

Info

Publication number: DE2231680C2
Application number: DE19722231680
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1971-06-28
Filing date: 1972-06-28
Publication date: 1982-03-04
Also published as: FR2143904A1; FR2143904B1; NL7203606A; NL168479C; GB1376963A; DE2231680A1; JPS5549282B1; NL168479B; CA962867A

Description

Die Erfindung betrifft ein Faseroptikbündel, das hergestellt ist aus einer Vielzahl gezogener optischer Fasern mit Kern und zwei Ummantelungen, von denen die erste Ummantelung aus einem Glas mit einem Brechungsindex besteht, der innerhalb des Kerns im wesentlichen Totalreflexion bewirkt, wobei eine Vielzahl der gezogenen optischen Fasern zu einer Vielfaseranordnung zusammengelegt wird und die Einzelfasern anschließend mittels der zweiten Ummantelung und kompaktiert werden.

Ein derartiges Faseroptikbündel ist aus der US-PS 53 896 bekannt. Bei diesem Faseroptikbündel wird die zweite Ummantelung mit der Zielsetzung aufgebracht, den zwischen den einzelnen Fasern befindlichen Hohlraum vollständig und gasdicht mit piner Glasmatrix auszufüllen, welche die Fasern stützt. Das aus Einzelfasern zusammengefügte Faserbündel wird hierzu in ein Glasrohr eingebracht, dessen Material, wie das der zweiten Ummantelung, bei niedrigeren Temperatur ren schmilzt als das Glas der Kerne und der ersten Ummantelung. Während die Anordnung beginnend von einem Ende durch einen Ofen hindurchgeführt wird, erfolgt von dem anderen Ende her ein Evakuieren des Rohres, so daß sich das Rohr im erhitzten Bereich zusammenzieht und das von ihm eingeschlossene Faserbündel kompaktiert, was auch durch geringfügiges Verstrecken unterstützt werden kann.

Durch dieses Vorgehen versucht man, Verlus'e in der Bildübertragung der Faserbündel zu vermeiden, die auf

ίο Oberflächendefekten an den totalreflektierenden Grenzflächen und einem quantenmechanischen Tunneleffekt beruhen, falls die Abstände benachbarter Fasern kleiner sind als die Wellenlänge des mit ihnen zu übertragenden Lichts. Wenn man jedoch versucht, das Auflösungsvermögen bzw. die Übertragungskapazität eines derart hergestellten Faseroptikbündels durch zumindest einen weiteren Ziehprozeß weiter zu erhöhen und ein Bündel mit feineren Einzelfasern herzustellen, kommt es abermals zu Fehlern und Dunkelstellen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei dem hierzu notwendigen Schmeizprozeß Einschlüsse von Fremdmaterialien und so weiter verdampfen. Dies verursacht eine Blasenbildung bzw. eine Ausdehnung der Ummantelung auf ein der auftretenden Kraft entsprechendes Volumen. Beim anschließenden Ziehvorgang wird hierdurch die Oberfläche der angrenzenden Nachbarfaser verformt, so daß dort Einfallswinkel für das durch die Faser zu leitende Licht entstehen, welche Fehler oder Dunkelstellen auf der Bildfläche bei einer Übertragung mit diesen Faseroptikbündeln hervorrufen. Dieser Vorgang ist ausführlich in der US-PS 36 53 739 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Faseroptikbündel mit einer hohen

Übertragungskapazität zu schaffen, das weitgehend frei von durch Blasenbildung hervorgerufenen Fehlern und Dunkelstellen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Fa^croptikbündel dadurch gelöst, daß die Vielfaseranorcinung in zumindest einem Ziehprozeß zur endgültigen Abmessung des Faseroptikbündels ausgezogen wird, und daß die Querschnittsflä ehe der zweiten Ummantelung so bemessen ist, daß nach dem Ziehprozeß Kanäle im Faseroptikbündcl verbleiben.

Die im Faseroptikbündel verbleibenden Kanäle bewirken, daß die während des zumindest einen Ziehprozesses entstehenden Blasen entweichen können, ohne daß sie schädliche Deformierungen an den Grenzflächen der Kerne hervorrufen. Das durch solche

to Deformierungen bedingte Auftreten von Fehlern in der Bildfläche der Faseroptikbündel wird hiermit wirksam vermieden.

Aus der obengenannten US-PS 36 53 739 ist es zwar bekannt, in Faseroptikbündeln eine Anzahl von Längsstäben auf die Peripherie der einzelnen Fasern anzuordnen und mit dem Äußeren einer ersten Ummantelung zu verschmelzen. Diese Stäbe sind in bezug aufeinander in dem Faseroptikbündcl so an geordnet, daß eine gewisse Trennung zwischen den einzelnen Fasern entsteht und die Kontaktfläche zwischen ihnen verringert wird. Es entsteht somit ein freier Raum zwischen den einzelnen Fasern, zu dem die Blasen wandern können. Die Anbringung der einzelnen Längssläbe in geeigneter Winkelorientierung auf den

einzelnen Fasern ist jedoch umständlich und teuer. Des weiteren läßt sich hierbei auch die Fasefdichte nicht auf Werte erhöhen, wie dies bei der Vorliegenden Erfindung möglich ist,

Aus der US-PS 31 90 735 ist es schließlich bekannt, optische Fasern, die mit einer Ummantelung versehen sind, in ein Rohr einzugeben und diese Anordnung zu erhitzen und einem Ziehvorgang zu unterwerfen. Das zum Zusammenhalt der äußersten Fasern im Bündel 5 verwendete Rohr schmilzt hierbei, so daß sein Material zwischen einige der äußersten Fasern eintritt. Dieses Material füllt den Raum zwischen diesen Fasern vollständig aus, !aßt das gesamte Innere der Anordnung jedoch unbeeinflußt Da dort die mit der ersten Ummantelung versehenen Fasern auch direkt im Kontakt miteinander stehen, treten die Schädigungen der Ummantelung und der Kerne während des Ziehvorganges auf, welche die Bildübertragungseigenschaften des Faseroptikbündels herabsetzen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Erfindung wird somit ein weitgehend fehlerfreies Faseroptikbündel mit verbesserter Lichtübertragungsqualität geschaffen, das in einer besonderen Ausgestaltung auch flexibel ist.

Die Erfindung erlaubt die Anwendung vornandener Technologien zur Herstellung von Faseroptikbündeln. Es wird diesbezüglich beispielshalber auf die US-PS 29 80 957 und 30 37 241 verwiesen. Diese bekannten Technologien können im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Faseroptikbündel mit maximaler Lichttransmission und minimalen Fehlern herzustellen.

Die Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt von einem Teil einer optischen Faser mit zwei Ummantelungen;

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Verfahren zur Herstellung der in F1 g. i gezeigten Faser;

F i g. 3 zeigt in schematischer Teildarstellung einen radialen Querschnitt einer Zusammenfassung aus optischen Fasern gemäß Y i g. 1;

Fig. 4 zeigt in schematischer Teildarstellung einen radialen Querschnitt einer weiteren Zusammensetzung aus optischen Fasern gemäß Fig. 1 in einer dichten Packung;

F i g. 5 zeigt in schematischer Tei'darstellung einen radialen Querschnitt eines aus der Zusammenfassung von F 1 g. 3 erhaltenen Faseroptikbündels.

Fig. 1 zeigt eine optische Faser 10 mit einem Kern 1 3. der aus klarem optischem Glas oder einem anderen zur Lichtübertragung geeigneten Material besteht. Der so KernH ist mit einer ersten Ummantelung 12 überzogen, die aus einem optischen Glas besteht, das einen niedrigeren Brechungsindex hat als der Kern 13. Infolge des niedrigeren Brechungsindex tritt Totalreflexion für Strahlen auf. die im wesentlichen in Längsrichtung innerhalb des Kerns 13 verlaufen, wobei diese Strahlen einen F.infallswinkH haben, der größer ist als ein vorgegebener kritischer Winkel. Der kntische Winkel hängt von dem Verhältnis der Brechungsindizes des Materials des Kerns 13 und des Materials der ersten Ummantelung 12 ab. Die zweite Ummantelung U besteht ebenfalls aus einem Glas geeigneter optischer Qualität. Es kann ein geschwärztes Glas oder ein lichtabsorbierendes Glas sein, Wenn dies für spezielle iunktionclle Erfordernisse gewünscht ist.

Die dargestellten Abmessungen der ersten Ummantelung 12 und der zweiten Ummantelung 11 sind zum leichteren Verständnis relativ verzerrt wiedergegeben.

Der Kern 13 ist in Wirklichkeit in seiner Abmessung bemerkenswert größer als die erste Ummantelung 12 und/oder die zweite Ummantelung 11. Die in radialer Richtung gemessene Dicke der ersten Ummantelung 12 ist notwendigerweise nur größer als die Wellenlänge des zu übertragenden Lichts, um die erforderliche Totalreflexion zu erreichen. Auch die Dicke der zweiten Ummantelung 11 ist bedeutend geringer als der Durchmesser des Kerns 13.

Fig.2 zeigt die Zusammensetzung einer typischen optischen Faser 10 unter Verwendung von Röhren 12' und 11'. Die Röhren bilden die erste und die zweite Ummantelung. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ummantelungen auch schichtweise oder mit einer anderen geeigneten Technologie angebracht werden können. Der äußere Durchmesser des Kerns 13 und der innere Durchmesser der Röhre 12' haben ungefähr die gleiche Abmessung. Entsprechendes gilt für den Außendurchmesser der ersten Röhre 12' und den Innendurchmesser der zweiten Roh 11'. Wie dies im ein/einen in den obengenannten US-HS 29 80 957 und 30 37 241 beschrieben ist, werden der Kern 13 und die beiden Röhren 12' und 1Γ zusammengefügt und bei einer speziellen Temperatur in die gewünschte, vorgegebene Abmessung gezogen.

Eine Vielzahl von gleichen optischen Fasern 10 wird anschließend zu einer Vielfaseranordnung zusammengefügt. Diese Zusammenfügung erfolgt entweder zu einer dichtgepackten Vielfaseranordnung, wie diese in F i g. 4 gezeigt ist, oder zu einer Standardanordnung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Anschließend wird die jeweilige Vielfaseranordnung stufenweise bei bestimmten Temperaturen auf ihre endgültigen Abmessungen gezogen. Abhängig von den funktioneilen Erfordernissen können diese Vielfasaranordnungen auch zu einer größeren Zusammenfassung verbunden und abermals einem Schmelz- und einem Ziehprozeß unterworfen werden, bis die Einzelfasern die gewünschten Abmessungen aufweisen.

In den Vielfaseranordnungen gemäß F i g. 3 bzw. 4 hah.-n die optischen Fasern 10 an den Oberflächen ihrer zweiten Ummantelung 11 punktförmigen oder linienförmigen Koniakt miteinander, wobei /wischen benachbarten Fasern 10 ein freier Raum liegt, der durch die Querschnittsflächen 21 angedeutet ist. Wenn die Fasern 10 zu ihrer endgültigen Abmessung gezogen werden, wächst der Punktkontakt zwischen den zweiten Ummantelungen 11 zu einem flächenmäßigen Kontakt der Oberflächen an. Gleichzeitig schrumpft damit der zwischen den Fasern befindliche freie Raum. d. h. die Querschnittsfläche 21, was zu einer im ganzen dichteren Anordnung führt. Dieser Vorgang ist darauf zurück/uführe·. daß das Material der zweiten Ummantelung 11 im Vergleich /u dem Material des Kerns 13 und/oder dem Material de/ ersten Ummantelung 12 eine niedrigere Viskosität aufweist. Diese niedrigere Vijkosität bewirkt während des Ziehvorganges eine Formänderung Her zweiten I Immant^lung 11 von einem wohldefinierten ringförmigen Querschnitt zu einem Querschnitt mit wesentlich gestaltloser, etwa achtecki= ger Form. Während der GesamtquefschniU, ausgehend Von der Vielfaseranordnung gemäß Fig. J, verkleinert und in seine geometrische Form gebracht wird, wie in Fi g. 5 gezeigt ist, wird somit das Material der zweiten Ummanlelung 11 bewegt und verformt. Auch die Kerne 13 und die ersten Ummantelungen 12 können sich dabei in ihrer Querschnittsdimension in Richtung auf eine achteckige Gestalt ändern.

Die Querschnittsflächen der zweiten Ummantelung und damit auch deren radiale Abmessungen sind hierbei derart gewählt, daß eine vorbestimmte, minimale freie Querschniltsfläche 21' zwischen den einzelnen Fasern des Fasefoplikbündels verbleibt, wenn die Vielfaseranordnung geschmolzen und auf ihre endgültigen Abmessungen gezogen wird. Die zunächst etwa rechteckförmige freie Querschnittsfläche 21 zwischen den benachbarten Fasern 10 geht somit bei dem Zieh vorgang jeweils in -jinen Kanal 2Γ über, der longitudinal durch das gesamte Faserbündel verläuft und einen annähernd kreisförmigen Querschnitt hat.

Die freie Querschnittsfläche 21' reicht aus, um eine Verformung der Kerne 13 zu verhindern und um Auslaugkanäle für die Herstellung flexibler Faseroptikbündel zu bilden. Die niedrigere Viskosität zur zweiten Ummantelung erlaubt es dabei, daß Hohlräume oder Blasen, die sich an oder nahe sich berührender Oberflächen benachbarter upi'scner Fasern gebildet haben, in dem Material der zweiten Ummantelung 11 bis zu den Kanälen IY wandern, wo sie sich frei ausdehnen können, ohne eine Beschädigung der Oberflächenkerne 13 zu verursachen. Die Viskosität des Materials der zweiten Ummantelung muß jedoch von derart genügender Größe sein, daß die zweite Ummantelung 11 ihre generelle Geometrie während des Schmelz- und Ziehprozesses behält. Darunter ist zu verstehen, daß ohne Ausübung von nach innen gerichteten Kräften entsprechend dem Ziehprozeß das Material der zweiten Ummantelung 11 seine ungefähre ursprüngliche Form beibehält.

Die Querschnittsfläche der zweiten Ummantelung 11 — in Prozenten der normalen freien Querschnittsfläche der zusammengefügten Vielfaseranordnung — wird empirisch bestimmt. Hierbei wird die Menge de·; Materials ermittelt, die den Faseroplikbündeln bezüglich der Handhabung genügend Stärke und Leichtigkeit gibt, die Verringerung der optischen Fehler erreicht und. sofern erwünscht, einen Auslaugprozeß durchführbar macht.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Frfindung.

Beispiel

Zielsetzung: Herstellung eines Faseroptikbündels mit einer Querschnittsfläche von ungefähr 3x3 mm aus optischen Fasern mit einem Durchmesser von 25μπχ

Kemmaterial: Bariumfiintglas.

1. Ummantelung: Kalknatronglas (Kronglas).

2. Ummantelung: Soda-Bleiglas.

Bemerkung 1: Das Bariumfiintglas hat einen Brechungsindex von ungefähr 1,6 und einen Erweichungspunkt von ungefähr 700⁰C Das Kalknatronglas hat einen Brechungsindex von 1,52 und einen Erweichungspunkt von ungefähr 700⁰C Das Soda-Bleiglas hat einen Brechungsindex von 1,56 und einen Erweichungspunkt von 635° C (Wenn ein flexibles bzw. auslaugbares Faseroptikbündel gewünscht ist, kann anstelle des Bleiglases ein säurelösliches Glas verwendet werden.)

1. Ziehprozeß: Optische Einzelfasern werden auf ungefähr 25 mm Außendurchmesser gezogen.

2. Ziehprozeß: Eine quadratische Viiilfäseranordnung aus 10x10 Einzelfasern wird r.u einem ersten Faseroptikbündel mit einem Querschnitt von etwa 2,5 χ 2,5 mm gezogen.

3. Ziehprozeß: Eine quadratische Anordnung aus 12 χ 12 im zweiten Ziehprozeß erhaltenen ersten Faseroptikbündeln wird zu einem endgültigen Faseroptikbündel mit einem Querschnitt von 3 χ 3 mm gezogen.

ίο Bemerkung 2: Bei dem oben artgegebenen Beispiel beträgt die theoretische freie Qucrschnittsfiäche. d. h. die Querschnitlsfläche ohne zweite Ummante lung 11 bzw die nicht von den Kernen 13 und den ersten Ummantelungen 12 eingenommene Querschnittsfläche. ungefähr 22% der gesamten Querschnittsfläche der Vielfaseranordnung in ihrer endgültigen geometrischen Anordnung und Abmessung. Das Material der zweiten Ummantelung war Mi ausgewähii, uiiB es eine Querscnninsfiäcne

2ö von ungefähr 15% der gesamten Querschnittsfläche der Vielfaseranordnung einnahm, so daß theoretisch ein freier Raum von 7% verblieben war. Das gemäß diesem Beispiel nach üblichen Fabrikationstechniken und Verfahren zusammengesetzte und gezogene Faseroplikbündel lieferte ein relativ fehlerfreies Bild.

Eine Verbesserung der optischen Bildübertragung läßt sich auch bei Faseroptikbündeln erreichen, bei denen die freie Querschnittsfläche so niedrig ist wie 3%.

Wenn die zweite Ummantelung ι \ bei einem flexiblen

Faseroptikbündel verwendet werden soll, muß hierfür ein säurelösliches Glas verwendet werden, das z. B. aus 25% B2O1, ungefähr 45% BaO und ungefähr 8% bis 10% La2Oj besteht und mittels eines Ätzprozesses aus dem gezogenen Faseroptikbündel herausgeätzt wird. Hierbei werden die gegenüberliegenden Enden des in seine endgültigen Abmessungen gezogenen Faseroptikbündels beispielsweise vergossen, um die einzelnen

•Ό Faserenden zu umschließen und bezüglich ihrer geometrischen Lage zu fixieren. Dieses Vergießen füllt die Zwischenräume zwischen den Fasern vor dem eigentlichen Auslaugen. Wenn eine Epoxidharz-Vergußmasse verwendet wird, wird das Faseroptikbündel ausreichend erwärmt, damit das Epoxidharz in die Kanäle 21' hineinfließt und damit das gesamte Ende des Faseroptikbündels mit Epoxidharz abgedeckt ist. Hierdurch wird verhindert daß weder das zu äußerst liegende Glas der zweiten Ummantelung 11 noch die Endteile weggeätzt werden.

Nach dem Anbringen von Epoxidharz, Wachs oder einem anderen säureunlöslichen Material an den Enden wird das Faseroptikbündel durch Eintauchen in Saure, z. B. Salzsäure, ausgelaugt. Infolge der Kanäle TV

">"> schreitet das Auslaugen längs derselben in axialer Richtung fort Dies beschleunigt den Auslaugvorgang und verhindert gleichzeitig eine konische Ausbildung der zweiten Ummantelung 11 um Objekt- und am Bildende des flexiblen Faseroptikbündels, was die

**· Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Faseroptikbündels beeinträchtigen würde.

Das Faseroptikbündel kann jegliche geometrische Querschnittsform aufweisen, die für die Verwendung des Produkts geeignet ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Faseroptikbündel, hergestellt aus einer Vielzahl gezogener optischer Fasern mit Kern und zwei Ummantelungen, von denen die erste Ummantelung aus einem Glas mit einem Brechungsindex besteht, der innerhalb des Kerns im wesentlichen Totalreflexion bewirkt, wobei eine Vielzahl der gezogenen optischen Fasern zu einer Vielfaseranordnung zusammengelegt und die Einzelfasern anschließend mittels der zweiten Ummantelung verschmolzen und kompaktiert worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielfaseranordnung in zumindest einem Ziehprozeß zur endgültigen Abmessung des Faseroptikbündels ausgezogen und die Querschnittsfläche der zweiten Ummantelung so bemessen worden ist, daß nach dem Ziehprozeß Kanäle (21') im Faseroptikbündel verbleiben.

2. Faseroptikbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vielfaseranordnung die zweite Ummantelung (11) eine Querschnittsfläche einnimmt, welche der nicht von den Kernen (13) und den ersten Ummantelungen (12) eingenommenen Querschnittsfläche abzüglich 7% der Gesamtquerschnittsfläche entsDricht, und daß die Dicke des Materials der ersten Ummantelung (12) zumindest gleich der Wellenlänge des durch die optischen Fasern (10) zu übertragenden Lichtes ist.

3. Faseroptikbündel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweichungspunkt des Mate-ials de zweiten Ummantelung (11) ungefähr 10% (in ⁰C), vorzugsweise 70°, niedriger ist als derjenige <Jes ί/iterials des Kerns (13) oder der ersten Ummantelung (12).

4. Faseroptikbündel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kerne (13) Flintglas und für die ersten Ummantelungen (12) ein Kalknatron-Glas verwendet ist.

5. Faseroptikbündel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die zweite Ummantelung (11) ein säurelösliches Glas vorgesehen ist.