DE2335141A1 - Verbesserte optische faser und verfahren zum herstellen derselben - Google Patents

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PATENTANWALT D-I BERLIN 33 4 _Juli 1973

MANFREDMIEHE falkenr.ed 4 *

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Diplom-Chemiker Telegramme: Indujprop Berlin

Telex: 0185443

US/02/2096 AO-2534

AMERICAN OPTICAL CORPORATION Southbridge, Mass. O155O, V.St.A.

Verbesserte optische Faser und Verfahren zum Herstellen derselben

Es wird eine umkleidete optische Faser geschaffen, die einen Luftraum zwischen ihrem Kern und Umkleidung aufweist. Der Luftraum ermöglicht eine Entgasung des Faserkern-, und Umkleidungsmaterials während der Herstellung der Faser und bildet eine innere reflektierende Grenzfläche mit dem Kern für die übertragung des Lichtes durch die Faser bei innerer Totalreflexion.

Der Erfindungsgegenstand liegt auf dem Gebiet der Faseroptiken und insbesondere betrifft derselbe eine verbesserte optische Faser und ein Verfahren zum Herstellen derselben.

Ein ernsthaftes Problem auf dem Gebiet der Faseroptiken ist das Auftreten von Verunstaltungen, die sich durch Gasblasen an der Grenzfläche von Kern und Umkleidung der umkleideten Fasern ergeben. Derartige Verunstaltungen lenken das Licht und/oder streuen dasselbe nach außen durch die Seiten <3?r Fasern und verringern somit deren Fähigkeit, das Licht ven Ende-zuEnde zu übertragen.

Das Anwenden relativ weicher Umkleidungsmaterialien unmittelbar benachbart zu den härteren Materialien des Faserkerns, wie z.B. in der US-PS 3 653 739 beschrieben, verringert das Problem der Grenzflächenverunstaltuhg einzelner Fasern in einem gewissen AusmaB, jedoch lediglich auf Kosten der Aus-

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bildung einer Verzerrung oder Einknickung benachbarter Fasern in eng gepackten Bündeln, wie ebenfalls in der US-PS 3 653 739 beschrieben.

Eine Verringerung der Faserkernverunstaltung in Faserbündeln mit relativ weichen Umkleidungen kann dadurch erzielt werden, daß Lufträume zwischen einzelnen Fasern des Bündels vorgesehen werden, siehe die US-PS 3 653 739. Dies führt jedoch zu einer Ausdehnung der Querschnittsgröße der Faserbündel pro Einheit der Anzahl an Fasern und verringert die Schärfe der durch die Bündel übertragenen optischen Abbildungen. Der Verlust der Abbildungsübertragung in den Lufträumen zwischen den Fasern führt zu einer Verringerung der Abbildungsschärfe und beeinflußt in ähnlich nachteiliger Weise die Bildauflösung. Daher sind enger gepackte Bündel aus optischen Fasern mit kleineren, nicht der Bildübertragung dienenden Räumen auf dem einschlägigen Gebiet bevorzugt und sind bei bestimmten Anwendungsgebieten faseroptischer Vorrichtungen erforderlich.

Eine wesentliche der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, die Grenzflächen-Verunstaltung in umkleideten optischen Fasern und den keine Abbildung leitenden Zwischenraum in Faserbündeln hintenan zu halten.

Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird vermittels einer neuartigen optischen Faserbauart gelöst, wonach die Kern- und äußeren Umklaidungsbestandteile der Faser in geringfügigem Abstandsverhältnis mit geringer Berührung zwischen denselben zwecks Aufrechterhalten des Abstandeverhältnisses vorliegen. Das vorliegen von Luft oder Gas mit niedrigem Brechungsindex zwischen dem Kern mit relativ hohem Brechungsindex und der äußeren Umkleidung führt zu der erforderlichen inneren reflektierenden Fasergrenzfläche. Weiterhin ermöglicht das Abstandsverhältnis ein vollständiges Entgasen der Kern- und Umkleidungebeetand teile, ohne daß Gasblasen eingeschlossen werden und sich eine Verunstaltung der Kern-.r,ibt. _4öä8_11/om

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine diagrammförmige Erläuterung eines Verfahrens zum Ziehen optischer Fasern ausgehend von einer Anordnung, aus Faserkern- und Umkleidungsmaterialien.

Fig. 2 erläutert in stark vergrößertem querseitigen Querschnitt die Anordnung der Materialien längs der Linie 2-2 nach Fig. 1 aus denen eine Faser in erfindungsgemäßer Weise gezogen werden kann.

Fig. 3 ist ein ähnlich stark vergrößerter, guerseitiger Querschnitt einer aus der Anordnung der Bestandteile nach dem Fig. 1 und 2 gezogener Faser, wobei der Querschnitt längs der Linie 3-3 nach der Fig. 1 genommen ist.

Fig. 4 ist eine noch weiter vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Faser nach der Fig. 3 und erläutert diagrammförmig ein wesentliches erfindungsgemäßes Merkmal zur Überwindung der nach dem Stand der Technik auftretenden Probleme der Faserkernverzerrung.

Fig. 5 ist eine weggebrochene Querschnittsansicht einer mit Glas umkleideten und aus Glas bestehenden optischen Faser nach dem Stand der Technik und zeigt die Grenzflächenfehler derart, wie sie erfindungsgemäß vermieden werden.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ergibt sich, daß der Erfindungsgegenstand sich auf das Herstellen optischer Fasern mit Kernen aus einem Material mit hohem Brechungsindex bezieht, die durch Umkleidungen mit einem Material mit niedrigerem Brechungsindex umgeben sind, wodurch eine im Inneren reflektierende, den Kern umkleidende Grenzfläche ausgebildet wird, und somit werden die sich ergebenden Fasern nach den allgemein bekannten Grundsätzen der inneren Totalreflexion lichtleitend. Diesbezügliche Einzelheiten

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finden sich z.B. in den US-PSen 2 825 260, 3 395 994 und 3 653 739.

Wie weiter unten im einzelnen erläutert, ist der Erfindungsgegenstand insbesondere anwendbar auf das Herstellen von glasumkleideten glasoptischen Fasern, jedoch sind nicht ausgeschlossen Fasern, die aus anderen Materialien gefertigt sind, einschließlich derjenigen aus geschmolzenem Quarz und optischen Kunststoffen.

Beispiele für die verschiedenen Arten der Faserherstellungsverfahren und Methoden, bei denen der Erfindungsgegenstand insbesondere anwendbar ist, finden sich unter anderem in den üS-PSen 2 980 957 und 3 037 241, wonach ein Faserkernmaterial in Stangenform in das Innere einer Hülse oder Rohrs aus Faserumkleidungsmaterial gebracht wird unter Ausbilden einer Anordnung, die erhitzt und auf Fasergröße herunter gezogen werden kann.

Wenn auch ein Vakuum zwischen Stange und Rohr bei derartigen Anordnungen nach dem Stand der Technik angewandt worden ist, sowie besondere Sorgfalt dahingehend ausgeübt wurde, daß die äußeren und inneren Oberflächen von Rohr und Stange während der Verarbeitung sauber gehalten werden, hat es sich doch gezeigt, daß das Einfangen von Gasen und das Heraustreten von Gasen aus den Materialien des Faserkerns oder der Umkleidung und/oder das Vorliegen von Fremdstoffen auf denselben während des Verschmelzens unvermeidbar ist. Somit haben durch Gasblasen bedingte Verunstaltungen an der Grenzfläche bisher ernsthafte Probleme verursacht in Form einer hohen Ausschußrate und allgemein der Bildung mangelhafter Fertigprodukte bei der Herstellung umkleideter faseroptischer Vorrichtungen.

Das Problem der Verunstaltung ist anhand der Figur 5 erläutert zwecks deutlichem Aufzeigen der neuartigen und verbesserten Ergebnisse, wie sie erfindungsgemäß erhalten werden.

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Unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 5 sind dort Gasblasen b verschiedener Beispielsweise, jedoch etwas über- ' trieben wiedergegebener Größen und Formen längs der Grenzfläche i zwischen dem Kern 10 und der Umkleidung 12 bei einer Faser F nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Diese eingefangenen Blasen b erzeugen Einknickungen oder Vertiefungen 14 in der Oberfläche des Kerns 10, wobei diese Einknickungen unregelmäßige Formen und Größen entsprechend der gesamten Form und Größe der Blase besitzen.

Wie auf dem Gebiet der Fiberoptiken allgemein bekannt und in den oben angegebenen US-PSen weiterhin erläutert, ist das Vorliegen einer glatten, inneren, reflektierenden Oberfläche längs eines optischen Faserkerns 10 für eine optimale Lichtübertragung längs desselben durch innere Totalreflexion erforderlich. Bei jedem Auffallen eines Lichtstrahls auf die Grenzfläche i erfordert dessen fortgesetzte Leitung durch die Faser F, daß eine Reflexion von der Grenzfläche i innerhalb des kritischen Reflexionswinkels für die spezielle Grenzfläche erfolgt. Somit bedingt bezüglich des beispielsweise wiedergegebenen Strahls r, siehe Fig. 5, der normalerweise in Richtung auf die Grenzfläche i innerhalb seines kritischen Reflexionswinkels gerichtet ist, daß das Auffallen dieser Strahlen r gegen die Fehlstellen der Einknickungen 14, die durch die Gasblasen b bedingt werden, sie in Richtungen nach außen hin oder über den normalen kritischen Reflexionswinkel für die Grenzfläche i hinaus gestreut werden. Dieses Streuen wird durch den Pfeil r¹ wiedergegeben, der Lichtstrahlen zeigt, welche durch die Seiten der Faser F als Streulicht verloren gehen, wodurch die Ende-zu-Ende-übertragung des Lichtes durch den Kern 10 der Faser F verringert wird.

Erfindungsgemäß wird nun in Betracht gezogen, daß die umkleideten optischen Fasern dadurch ausgebildet werden, daß eine Herstellung nach den allgemein bekannten Verfahren erfolgt, von denen eines diagrammförmig in der Fig. 1 wieder-

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gegeben ist. Hierbei weist die Anordnung 16 eine mitiere Stange 18, siehe Fig. 2, aus einem geeigneten lichtleitenden Material mit relativ hohem Brechungsindex auf, z.B. optisches Flintglas mit einem Brechungsindex von angenähert 1,75. Die Stange 18 wird mittig in längsseitiger Richtung im Inneren der Hülse 20 getragen, die eine größere innere Durchmessergröße als diejenige der äußeren Durchmesserabmessung der Stange 18 besitzt. Hierdurch verbleibt ein Luftraum 22 zwischen der Stange 18 und der Hülse 20. Abstandshalter 24, vorzugsweise in Form langer und dünner Stangen mit kreisförmigem Querschnitt erstrecken sich über praktisch die gesamte Länge der Anordnung 16 und halten die Stange 18 in dem angegebenen zentrierten Verhältnis im Inneren der Hülse 20. Somit erstreckt sich ein einheitlich dimensionierter innerer Raum 26 in Umfangsrichtung um die Stange 18. Die Wanddicke der Hülse 20 und die diametrale Dicke eines Abstandshalters 24 können z.B. etwa 1/10 der gesamten Durchmesserdicke der Anordnung 16 betragen. Vorzugsweise wird die Dicke eines Abstandshalters 24 wesentlich weniger als die Hälfte der gesamten Dicke der Kombination aus Hülse und Abstandshalter ausmachen. Die Anzahl der Abstandshalter 24 ist vorzugsweise kleinstmöglich, d.h. beläuft sich auf drei, wobei dieselben angenähert in Umfangsrichtung im gleichen Abstandsverhältnis um die Stange 18 herum vorliegen. Jeder Abstandshalter 24 weist ebenfalls vorzugsweise eine kreisförmige Querschnittsform auf, um so das Ausmaß der Oberflächenberührung mit der Stange 18 kleinstmöglich zu halten und somit den Betrag der freiliegenden Fläche der Stange 18 gegenüber der Luft in dem Raum 26 größtmöglich zu halten.

Die Anordnung 16 wird in der üblichen Heise über einem geeigneten, vorzugsweise ringförmigen Erhitzungse leinent 28 aufgehängt, erhitzt und längsseitig in die Faser 30 gezogen. Einzelheiten bezüglich der Vorrichtung und Verfahrensweise, wie sie normalerweise für das Ziehen einer optischen

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Faser in der hier beschriebenen Art angewandt werden, finden sich in den angegebenen üS-PSen 2 980 957 und 3 037 241.

Die Faser 30, siehe die Fig. 3, weist die verschmolzene Kombination der Bestandteile 18, 20 und 24 in praktisch proportionalen Abmessungen und Formen auf, jedoch alle in wesentlich verringerter Größe. Die Hülse 20 und die Abstandshalter 24, die vorzugsweise aus identischen Materialien bestehen, bilden zusammen eine äußere Umkleidung 32 mit relativ kleinem Brechungsindex, wobei praktisch lediglich eine Linienberührung zwischen dem Kern 34 der Faser 30 besteht, wodurch ein größtmöglicher Betrag der äußeren Oberfläche 36 des Kerns 34 gegenüber der Luft oder dem Gas in dem sich darm erstreckenden Raum 38 freiliegt. Der Raum 38 entspricht dem Raum 26 in der Anordnung 16, und die Abstandshalterteile 40 der Umkleidung 32 entsprechen den Abstandshaltern 24 der Anordnung 16. Bei der letzteren Anordnung liegt die geringstmögliche Anzahl, d.h. drei, der Abstandshalter vor, so daß eine größtmögliche Fläche des Kerns 34 gegenüber der Atmosphäre und dem Raum 38 freiliegt.

Unter Bezugnahme insbesondere auf das stark vergrößerte Segment der Faser 30, siehe die Fig. 4, sieht maß? daß.Luft oder Gas in dem Raum 38, hier liegt arteigen ei» Brechungsindex von 1,OO oder doch ein hiereu nur sehr wenig shv&:i~* chender Wert vor, zu einem Medium mit relativ kleinem Brechungsindex um den Kern 34 aus dem Material mit aiaeir. hohen Brechungsindex führt. Somit ist die Grenzfläche i* zwischen der Luft oder Gas in dem Raum 38 und dem Kern 34 im Inneren stark reflektierend gegenüber Lichtstrahlen, wie z.B. dem Strahl r¹'.

Es sit insbesondere zu beachten, daß die Oberfläche des Kerns 34 benachbart zu der Luft oder dem Gas in dem Raum ?3 die ursprünglich vorliegenden, glatten Oberflächensigenschaften der Stange der Anordnung 16 beibehält. Zusätzlich zu der Ausbildung der aus Luft oder Gas bestehenden Grenz-

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fläche mit niedrigem Brechungsindex um den Kern 34 herum ist es der Raum 38, der es ermöglicht, daß normalerweise eingefangene Gase austreten können, ohne daß die Oberfläche 36 oder der Kern 34 eine Einkerbung oder andere Verunstaltung erfährt. An denjenigen Stellen, wo die Abstandshalterteile 40 der Umkleidung 32 in Verbindung mit dem Kern 34 stehen, werden die Lichtstrahlen, wie der Lichtstrahl r"¹, ebenfalls normalerweise nach innen bezüglich des Kerns 34 reflektiert unter Fortleiten aufgrund einer inneren Totalreflexion von der Grenzfläche i". Das Verhältnis von kleinem zu großem Brechungsindex der Abstandshaltertei-Ie 40 und des Kerns 34 führt zu der nach innen hin reflektierenden Grenzfläche i".

Anhand der obigen Ausführungen ergibt sich, daß die mit der Grenzflächenverunstaltung verbundenen Probleme nach dem Stand der Technik bedingt durch eingefangene Gasblasen vermieden werden und eine verbesserte Lichtübertragung in faseroptischen Vorrichtungen erreicht wird.

In denjenigen Fällen, wo die Vakuumdichte der einzelnen Fasern oder Bündel derselben angestrebt oder erforderlich ist, kann ein seitliches Zusammendrücken der gegenüberliegenden Enden derartiger Fasern einzeln oder als Bündel bei geeigneter Verschmelzungstemperatur erfolgen, wodurch sich ein Abdichten der Räume 38 ergibt. Dies hat nur eine geringe, wenn überhaupt eine Wirkung auf die Lichtübertragung durch die Fasern oder Bündel. Dieses Abdichten der Räume braucht sich lediglich über ein kurzes Teil der Länge der Fasern oder an benachbarten beiden Enden oder an irgendeiner Stelle zwischen denselben zu erstrecken. Wahlweise kann jedoch ein Zusammendrücken der Fasern oder Bündel vermieden und ein Abdichten der Räume 38 dadurch bewerkstelligt werden, daß ein Imprägnieren mit einem Epoxid-Klebstoff oder anderen geeigneten Abdichtungsmittel erfolgt.

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Claims (12)

1. P atentansprüche

   IJ Lichtleitende Faser, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe einen länglichen Kern (34) aus einem lichtleitenden Material mit hohem Brechungsindex und eine Umkleidung {32) aus einem Material mit relativ kleinem Brechungsindex konzentrisch den Kern (34) umgebend aufweist, wobei die Umkleidung (32) radial nach innen gerichtete Abstandshalterteile (40) aufweist, die mit benachbarten Seiten des Kerns (34) längs eines Hauptteils ihrer Länge in Berührung stehen, um so einen Raum (38) zwischen der Umkleidung (32) und dem Kern (34) aufrechtzuerhalten.
2. 2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalterteile (40) der Umkleidung (32) einzeln allgemein kreisförmig im Querschnitt sind, wobei jedes derselben mit dem Kern (34) praktisch eine Linienberührung besitzt.
3. 3. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (34), die Umkleidung (32) und die Abstandshalterteile (40) miteinander als eine einstückige Einheit (30) verbunden sind.
4. 4. Faser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (34), die Umkleidung (32) und die Abstandshalterteile (40) jeweils aus Glas gebildet und miteinander unter Ausbilden der einstückigen Einheit. {30) verschmolzen sind.
5. 5. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekenn%eicii-~ net, daß sich die Anzahl der Hehr zahl der Abßtanäshelterteile (40) auf drei beläuft, sowie dieselben in gleichem Abstandsverhältnis um den Umfang des Kerns (34) herum angeordnet sind.
6. 6. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Umkleidung (32) und dem Kern (34) in Umfangsrichtung um die Faser an einer Stelle über deren Länge verschlossen und abgedichtet ist.

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7. 7. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl ähnlicher Fasern zusammengebündelt ist.
8. 8. Verfahren zum Herstellen einer umkleideten, lichtleitenden Faser, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

   a) Anordnen einer Stange aus einem lichtleitenden Material mit relativ hohem Brechungsindex angenähert in der Mitte im Inneren einer Hülse aus einem Material mit relativ kleinem Brechungsindex, die eine innere querseitige Abmessung wesentlich größer als eine entsprechende querseitige Abmessung der mittig angeordneten Stange aufweist, wodurch ein Raum zwischen der Stange und der Hülse in Umfangsrichtung um die Stange herum verbleibt, und sodann

   b) eine Mehrzahl langer und dünner Abstandshalterteile längsseitig in dem Raum zwischen der Stange und der Hülse und in einem getrennten Verhältnis zueinander angeordnet, und sodann

   c) ein Ende der Anordnung aus der Stange, der Hülse und den Abstandshalterteilen auf eine Schmelz- und Ziehtemperatur erhitzt und sodann

   d) die Anordnung längsseitig auf die verringerte Querschnittsgröße der Faser gezogen wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange, die Hülse und die Abstandshaltertei-Ie jeweils aus Glas geformt werden.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8,gekennzeichnet durch den weiteren Arbeitsschritt eines Zusammendrückens an wenigstens einem Querschnittsteil der Faser radial nach innen ausreichend dergestalt, daß der Abstand zwischen dem Kern und der Hülse geschlossen und abgedichtet wird.

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11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die weiteren Arbeitsschritte eines Unterteilens der
    Faser in eine Vielzahl an getrennten Stücken und Zusammensetzen derselben nebeneinander als ein Bündel.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt eines Zusammendrückens des Bündels in radialer Richtung nach innen über einen Querschnitt der Länge desselben ausreichend dergestalt, daß alle Zwischenräume im Inneren aller Fasern in dem Bündel über den Querschnitt geschlossen und abgedichtet werden.

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