DE2246724A1 - Optischer wellenleiter - Google Patents

Description

22Λ6724

Western Electric Company, Incorporated

New York, N. Y., USA Stone 3

Optischer Wellenleiter

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenleiter für Multirnoden, mit einer lichtleitenden hohlen Faser relativ niedri- ■ gen Brechungsindexes, die einen Kern aus lichtleitendem Material relativ hohen Brechungsindexes aufweist.

Es ist bekannt, eine Vielzahl von lichtleitenden Bauelementen dicht und im allgemeinen parallel zu einander anzuordnen, so daß diese gemeinsam als lichtleitende Vorrichtung dienen, um ein optisches Bild von einer Objektebene auf einer Bildebene zu bilden. Jedes dieser lichtleitenden Bauelemente arbeitet nach dem Prinzip der inneren Reflektion des größten Lichtanteils an den Seitenwänden, und zwar des Lichtes, das an einem Ende

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des Bauelementes eingetreten ist und durch dieses hindurch an dessen anderes Ende wandert.

Unglücklicherweise haben sich solche Bauelemente als nicht vollständig zufriedenstellend erwiesen, so daß ihnen in erster Linie eine schlechte Lichtübertragungswirkung zugeschrieben wird.

Das genannte Problem der Verfügbarmachung eines optischen Wellenleiters mit verbessertem Lichtübertragungswirkurigggriad wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, das die lichtleitende hohle "Faser mit einem Kern aus leitendem Material versehen wtrd, das eine organische Flüssigkeit umfaßt.

Πι der ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiöl darstellenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungggemäß auf

gebauten optischen Wellenleiters;

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt eines einzigen Stabes oder einer Faser gem ää.,der -

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Fig. 3 eine-grafische Darstellung-der Ausgangs-'

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• " messer von 12·7 Mikrometer b.ei-i¥erwerxdung ':

-■'--' eiiies Helium--Neon-Lasers-bei6'«3i28. A: ,■ ■·-■■-"

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Fig'. '4 ' "■-""■ eine grafische Darstellung; der Verluste in> ' /'■ ·■ '■ ' - db/iiititer in Abhängigkeit von.der Wellenlänge .-■■'.'" " ^:' ^:" "für eih'e Faser;: die der für die' grafische DarstellunginFig. -3.. benutzten.-gleich-ist^. '.>.■ -..-

In einem erfindungsgeniäßen Ausführungsbeispiel ist ein optischer AVellenleiter aufgebaut aus einer A^ielzahl von in dichter .Weise * ·'■■ parallel angeordneten Stäben oder Fasern mit vorausbestimmten Brechungsindices, -von denen jeder einen hohlen Kern aufweist, der mit einer organischen: Flüssigkeit mit einem -'höher en Brechungsindex als dem des Stabes versehen ist. Messungen der Übertragungsverluste, die mit kohörentern:'Licht bei 6 328 A und im kohärentem Licht bei vorschiedenen Wellenlängen im sichtbaren und nahen

infrarotem Bereich durchgeführt worden sind, haben sich im interessirenden Bereich für Langstreckenübertragung als gut erwiesen.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß aufgebauter optischer Wellenleiter gezeigt. Der Wellenleiter 11 umfaßt eine Vielzahl von in dichter Weise parallel angeordneten Stäben oder Fasern 12. Jeder dieser Stäbe oder Fasern, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, umfaßt einen Hauptteil 13, der allgemein als Ummantelung bezeichnet wird, und einen Kern aus organischer Flüssigkeit 14, die ausreichende Lichtleiteigenschaften aufweist.

Das Ummantelungsmaterial hat einen niedrigeren Brechungsindex als das Kernmaterial, so daß die innere Brechung des vom, zum und durch den Kern wandernden Lichtes an der Seitenwandoberfläche des Kernes auftritt, ohne in die Ummantelung einzutreten oder durch diese adsorbiert zu werden. Geeigneter Weise· können die Stäbe 12 aus hohlen Fasern ausgewählt werden, die zusammengesetzt sind aus Flintglas auf der Basis von Natronkalksilikat soda lime silicate flint glass, (η = 1, 52) oder Quarzglas (n = 1.458).

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Die. Abmessung einer jedeii Örup'pe von Lichtleitstäberi: öder".. Lichtleit-Eäsern liängt von dem Zweck ab, für den die öpiis'che Bildübertragüngs vorrichtung gedacht ist, und die Querschnitts^ fläche der Stäbe eder . F.asern hängt'von dein. Äüfiösüngsfrad ■ abi der für das hierdurch zu übertragende Bild ge wünscht ist.»:

Bie gegenüberliegenden Enden einer jeden Stäbgfüppe iiöiitien optisch behandelt öder poliert selny um darauf' auf fällendes; Licht •von an einem Extde der Vorrichtung angeordneten Lichtqueiien . leicht aufzunehnieh, und um das empfangene Licht auf deiii entgegengesetzten Eilde benäclibarte.Vöi-richtungen leicht' äbzügeberu

Der Kern Ii weist eine organische Flüssigkeit auf/ die eineil höheren Brechungsindex als die Ummantelung 13 aufweist; Für die erfindungsgemäße' Verwehdung sind organische Eüsäihmeiisetzungen geeignet, die ausgewählt werdeh können aus,

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(c) deuterierte Zusammensetzungen davon und

(d) deren Mischungen,

wobei x, y und ζ aus Brom, Fluor, Chlor und Wasserstoff ausgewählt sind. Besonders geeignete Zusammensetzungen dieser Gruppe sind Brombenzol (n_n = 1. 560) und -o-Dichlorbenzol (η = 1.549). Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß die obigen Zusammensetzungen lediglich in Verbindung mi hohlen Glasfasern wirksam sind. Im Falle der Quarzummantelüng wurde festgestellt, das eine für Lichtübertragung geeignete organische Flüssigkeit Kohlenstofftetrachlorid (das die Differenz beim Brechungsindex bei Raumtemperatur verliert) in Verbindung mit einer aromatischen organischen Flüssigkeit niedriger Verluste des oben beschriebenen Typs ist, wie Chlorbenzoli Brombenzol und dgl., oder halogenisierte Alkyle CBrCl , Cfir„ F, C„C1 j Hexachlorbutadien und dgl. . Eine solche Zusammensetzung wird in einer Menge verwendet, die sich bis zu 20 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung erstreckt.

Beispiele für das erfindungsgemäße Prinzip sind im folgenden ausführlich beschrieben.

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Beispiel I ' - .. -,",-.- J ■

Die gewählten hohlen Glasfaser .waren Flintglasröhren mit einem Außendurchmesser von 1 G Millimetern, einer-Wanddicke von 1, 3 mm und einem Brechungsindex von 1, 52. Die Röhre wurde in Luftatmosphäre aufeiner . Faser ziehmaschinein Längen von etwa 50 Metern und Außendurchmessern von eüva ¹O₁.0127 cm auf Aluminiumtrommeln mit 26, 67 cm Durchmesser gezogen und mit 100 Windungen pro 2. 54 em gewickelt..

Als organische Flüssigkeiten -wurden B.romb-en-zol und o-Dichlor benzol geAvählt. Die Flüssigkeiten ^wurden durch Des^tilationge— : reinigt, und die hohlen . Fasern Avürden unter hydiOStatischeni . Druck in einer Monel-Zelle mit einem Teflonstempel gefüllt. ·- Der Destillations Vorgang eliminierte die meisten Verunreini- ^ -gungen, und die hydrostatische Füllmethöde erlavibte ein Füllen der !F.asern ohne das Eintreten von Luftblasen. Die Füllzelle war nait einena Quarzfenster versehen, das den'Eintritt., von . Licht in die . Faser erlaubte. Diese wurde dadurch in Stellung gehalten, daß sie durch eine Nadel für subkutane-Spritzen; geführt Avurde, die darauf auf einer Chrom plattierten Injektions- .

spritz enfas sung init Luer-Verschluß auf der Füllzelle befestigt waer. Die Faser wurde an dem Ende der Injektionsniadlel durch? einen Epoxy-Klebstoff befestigt. 50! Meter der Faser wordem in weniger asl 30 Minuten gefüllt* und der beschriebene Aufbau diente zur Lichteinführung für Verlttstmessungen.

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Verlustmessungen wurden bei 6 328 A unter Verwendung eines Helium-Neon-Lasers gemacht, der mit etwa 3, 5 Milliwatt in einem einzelnen Transversalmod arbeitet. Das Licht wurde mit einem 5fach vergrößernden Mikroskopobjektiv in die Faser fokussiert. Das Ausgangsende der Faser wurde in eine Zelle mit derselben Flüssigkeit wie der Kern getaucht, und der eintauchende Lichtstrahl gelangte durch ein Glasfenster und fiel auf den Detektor eines Lichtmeßgerätes (Coherent Radiation Labs. Model 212). Das Eintauchen des Faserendes erlaubt der Lichtenergie in der Glasummantelung nach außen gebrochen zu werden, so daß das auf den Detektor fallende Licht dasjenige ist, das durch den Kern gewandert ist. Darauf \vurde der Ausgangspegel der Faser dadurch als Funktion der Faserlänge gemessen, daß aufeinanderfolgende Stücke vom Faserende abgebrochen wurden. In Fig. 3 ist das Ergebnis grafisch dargestellt. Es ist

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dort die Ausgangsleistung in Milliwatt in Abhängigkeit von. der, Faserlänge in Metern aufgetragen. Die gemessenen Faserverluste waren 0,140 db/m. -

In gleicher Weise wurden Messungen durchgeführt mit inkohären-. tem Licht von einer Xenon-Lichtbogenquelle hoher Leistung (Osram XB0450-Lampe), wobei ein Satz 100 Ä* -Bandpassfilter beieiner Zahl von Wellenlängen zwischen 5 60Q und 9 400 A verwendet wurde. Jn diesem Fall wurde die,. Leistung für die gesamte Länge der Faser gemssen und für ein 4 Meter langes

- Stück derselben Faser, nachdem ein 38 m langes Stück abgebrochen worden war. Die Ergebnisse sind in Fig.. 4· grafisch

. dargestellt. Es sind die Verluste in db/Meter in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgetragen. Analysiert man die Fig. 4, so können die scharfen Absorptionslinien bei etwa 6 000 A, 7 000 A und 8 800 A Oberschwingungen der starken Kohlenstoff-Wasser stoff-Schwingungslinien in Brombenzol bei 3 069 cm zugeschrieben werden. Die Oberschwingungen dieser Linie sind in Fig. 4 als vertikale Pfeile gezeigt. Eine gleiche Linienstruktur erhielt man, wenn eine Faser mit o-Dichlorbenzol mit einer entsprechenden Absorptionslinie bei 3 071 cm_s gefüllt

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wurde. Die mittleren Verluste bei 6 328 A wurden »wischen 0,125 und 0, 150 db/m geschätzt, beträchtlich unter dem Wert von etwa 0, 24 db/m bei derselben Wellenlänge für inkohärentes Licht. Die höheren Verluste für inkohärentes Licht sind? einem größeren Anteil von Moden höheren Grades zuzuschreiben, die höhere Verluste erleiden aufgrund der Unvollkommeolteiten des Wellenleiters an der Kern-Ummantelungs-Zwischenfläehe.

Beispiel II

Die Prozedur von Beispiel I wurde unter Verwendung von Quarzglas -(n_n ⁼ 1.458) Hohlfasern als* Ummantelung und einer Mischung als Kohlenstofftetrachlorid und 20 Gewichtsprozent Chlorbenzol bezüglich des Gewichtes der Mischung wiederholt. Die gemessenen Verluste in der beschriebenen Faser waren 0, 040 db/m bei 6 328 R .

Die erfindungsgemäß erstrebte Eigenschaft ist geringe Absorption im interessierenden Bereich und wird bewiesen durch ein Infrarotspektrum ohne starke Linien oder mit vom Infrarotbereich möglichst abliegenden starken Linien. Untersuchungen

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haben gezeigt, daß das Deuterieren (durch irgendein herkömmliches Verfahren) der verwendeten organischen Plüssigkeiten die Fundamental-Absorptionen wegen der Kohlenstoff-Wasserstoff-Schwingungen von 3 nach 4, 3 Mikrometer verschiebt.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Optischer Wellenleiter für Multimoden, mit einer lichtleitenden hohlen Faser relativ niedrigen Brechungsindexes, die einen Kern aus lichtleitendem Material relativ hohen Brechungsindexes aufweist,

   dadurch gekennzeichnet, daß das lichtleitende Material des Kernes eine organische Flüssigkeit umfaßt.
2. 2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die organische Flüssigkeit ausgewählt ist aus

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   (c) deuterierte Zusammensetzungen und

   (d) deren Mischungen ; wobei χ, y und ζ aus der Gruppe Brom, Fluor, Chlor und Wasserstoff gewählt sind.
3. 3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, - '

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   dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus einer hohlen Glasfaser aufgebaut ist.
4. 4. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Flüssigkeit Brombenzol ist.
5. 5. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch geke nnz.eichnet, daß die organische Flüssigkeit ο-Dichlorbenzol ist.
6. 6. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3,

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   dadurch gekennzeichnet, daß die hohle . Easer aus Quarz besteht, und die organische Flüssigkeit eine Mischung aus Kohlenstofftetrachlorid und

   einer Verbindung aus folgender Gruppe ist: (a)

   wobei χ und y aus Wasserstoff und Halogenen gewählt ist;

   (b) CCl₃Br,

   (c) CBr₃F,

   (d) C₀Cl. und

   (e) Hexachlorbutadien.,
7. 7. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung Chlorbenzol ist.
8. 8. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 20 Gewichtsprozent der Gesamtmischung aus Chlorbenzol bestehen.

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