DE2335142A1

DE2335142A1 - Optische faser mit poroeser umkleidung und verfahren zum herstellen derselben

Info

Publication number: DE2335142A1
Application number: DE19732335142
Authority: DE
Inventors: Walter Paul Siegmund
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1972-08-28
Filing date: 1973-07-07
Publication date: 1974-03-14
Also published as: CA983747A; GB1394535A; JPS4960746A; JPS566522B2; US3920312A; FR2198159A1; DE2335142C2; NL7310337A; BE804081A; FR2198159B3

Description

PATENTANWALT _ΌΛ BERLIN 33 3 _{Juli 1973}

MANFRED MIEHE ^F^Zl"L

Diplom-Chemiker Telegramme Indusprop Berlin

Telex: 0185443

2335H2

US/02/2097 AO-2535

AMERICAN OPTICAL CORPORATION Southbridge, Mass. 01550, V.St.A.

Optische Faser mit poröser Umkleidung und Verfahren zum Herstellen derselben.

Es wird eine Möglichkeit geschaffen, den Wirkungsgrad der Lichtübertragung einer umkleideten, lichtleitenden Faser dadurch zu verbessern, daß die Grenzflächenfehler der Kernumkleidung hintenan gehalten werden. Es werden längliche offene Kanäle, die sich längsseits der Faser erstrecken, im Inneren der Umkleidung ausgebildet, um so die Ausdehnung von Gasen zu polstern, die längs der Grenzfläche zwischen Faserkern und Umkleidung während der Herstellung der Faser vorliegen und/oder erzeugt werden.

Der Erfindungsgegenstand liegt auf dem allgemeinen Gebiet der Faseroptiken und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen der Bauart und des Herstellungsverfahrens von umkleideten, lichtleitenden Fasern.

Ein ernsthaftes Problem auf dem Gebiet der Faseroptiken stellt das Auftreten von Verunstaltungen in den Kernen der umkleideten optischen Fasern dar, die sich aufgrund von Gasblasen längs der Grenzflächen zwischen dem Kern und der Umkleidung ergeben. Eine Einknickung der Faserkerne aufgrund des Ausdehnens von eingefangenen Gasen während des Herstellens der Fasern führt zu einer Ablenkung öder Streuung erheblicher Lichtmengen an deren entsprechenden Grenzflächen zwischen Kern und Umkleidung, wodurch sich ein entsprechender Verlust des Lichtes durch die Seiten der Fasern und somit eine wesentliche Verringerung des von Ende-zu-Ende übertragenen Lichtes erqIbt.

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Das Anwenden eines weicheren oder bei niedrigerer Temperatur schmelzenden, zweiten Umkleidungsmaterials für den üblichen Zweck des Vermeidens einer Verzerrung der gesamten Faserform, siehe die diesbezüglichen Erläuterungen in der US-PS 3 253 896, hat nur eine geringe, wenn überhaupt eine Einwirkung auf die Verringerung der Gasblasenverzerrung im Faserkern, es sei denn, daß das weiche Umkleidungsmaterial unmittelbar benachbart zu dem Faserkern angewandt wird, wie z.B. in der US-PS 3 653 739 vorgeschlagen. Trotzdem weisen diese Materialien alleine nicht die Fähigkeit auf, in ausreichender Weise polsternd zu wirken, um so den gesamten Verzerrungseffekt zu überwinden, wie er durch eingefangene oder induzierte Grenzflächengase auf die optischen Faserkerne bedingt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Verzerrung des Faserkerns bei dem Herstellen umkleideter optischer Fasern und der daraus hergestellten Vorrichtungen zu vermeiden. Der Erfindungsgegenstand ist anwendbar auf alle geeigneten Faserumkleidungsmaterialien unabhängig davon, ob dieselben weicher sind oder ähnliche Erweichungspunkte wie diejenigen der Faserkernmaterialien aufweisen, mit denen dieselben zusammen in Anwendung kommen.

Erfindungsgernäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf den Kernen mit normalem hohen Brechungsindex der optischen Fasern eine poröse Umkleidung mit relativ niedrigem Brechungsindex ausgebildet wird. Die Umkleidung weist in jedem Fall eine Reihe offener Kanäle auf, die sich über deren Länge hin erstreckt.

Unabhängig davon, ob das Umkleidungsmaterial eine Erweichungstemperatur besitzt, die niedriger oder ähnlich derjenigen des Faserkernmaterials ist, wird der wesentliche Polsterungseffekt derselben durch die Athmosphäre oder das Teilvakuum im Inneren der Kanäle bedingt. In Zusammenhang

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mit den relativ dünnen umgebenden Wänden des ümkleidungsmaterials ermöglicht dies, daß die Wände leicht nach innen gebogen werden können gegen oder in die polsternde Atmosphäre der Kanäle aufgrund eines während der Herstellung dieser Fasern auftretenden und an der Grenzfläche vorliegenden Gasblasendrucks. Diese bevorzugte Verzerrung des Umkleidungsmaterials verhindert eine Einknickung oder Oberflächenverzerrung der relativ schweren Masse des Faserkernmaterials. Eine Faserumkleidung mit einem Material, das bei niedrigerer Temperatur erweicht als dasjenige des entsprechenden Kerns wird zu einer Verbesserung der Polsterung der Grenzflächenblasen führen.

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 ümkleidungsmaterialien.

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 ähnlicher stark vergrößerter, querseitiger Querschnitt einer aus der Anordnung der Bestandteile nach den Fig. l 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 Oberwindung 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

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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 ümkleidungen 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 finden sich z.B. in den üS-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 glasoptischen Fasern, jedoch sind nicht ausgeschlossen Fasern, die aus anderen Materialien gefertigt sind, einschließlich derjenigen aus geschmolzenem Quarz und Kunststoffen.

Beispiele für die verschiedenen Arten der Faserherstellungsverfahren und Methoden, bei denen der Erfindungsgegenstand insbesondere anwendbar ist, finden sich unter anderem in den US-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

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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.

Unter Bezugnahme insbesondere auf die Fig. 5 sind dort Gasblasen b verschiedener Beispielsweise, jedoch etwas übertrieben 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,

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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 wiedergegeben ist. Hierbei weist die Anordnung 16 eine mittlere 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. Unmittelbar benachbart zu der Stange 18 und sich über die volle Länge ihrer Seiten erstreckend liegen Rohre 20 aus einem Umkleidungsmaterial mit niedrigerem Brechungsindex vor, die an Ort und Stelle durch eine äußere umgebende Hülse gehalten werden, welche vorzugsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind, wie dasjenige, das für die Rohre 20 angewandt wird, z.B. Kronenglas mit einem Brechungsindex von angenähert 1,52.

Die Anordnung 16 wird in der üblichen Weise über einem geeigneten, vorzugsweise ringförmigen Erhitzungselement 24 aufgehängt, dieselbe erhitzt und längsseitig in die Faser 26 gezogen. Einzelheiten bezüglich der Vorrichtung und der Arbeitsweise, wie sie üblicherweise für das Ziehen von optischen Fasern in der hier beschriebenen Weise angewandt werden, finden sich in den oben genannten üS-PSen 2 980 und 3 037 241.

Wie anhand der Fig. 3 gezeigt, weist die Faser 26 die geschmolzene Kombination aller Bestandteile 18, 20 und 22 in

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praktisch proportionalen Dimensionen und Formen auf, jedoch alle wesentlich verringert in der Größe. Die Rohre 20 und die Hülse 22, die vorzugsweise aus identischen Materialien bestehen, bilden eine amorphe äußere Umkleidung 28, die Poren 30 besitzt. Dieselben erstrecken sich durch dieselbe in einem entsprechenden Lageverhältnis zu den Lumen 20' der Rohre 20 in der Anordnung 16. Die Umkleidung 28 ist mit dem Kern 32 der Faser 26 verschmolzen, wodurch sich eine innere reflektierende Grenzfläche i¹ ergibt. Der Zweck und die Funktion der Poren 30 läßt sich insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutern, und dies unter Berücksichtigung der· in der Fig. 5 gezeigten Faser F nach dem Stand der Technik.

In dem Fall der Faser 26, siehe Fig. 4, werden eingefangene Gasblasen 14*, die in entsprechenden Lagen, mit entsprechenden Formen und Größen der beispielsweisen Blasen 14 nach Fig. 5 gezeigt sind, daran gehindert, eine merkliche, wenn überhaupt eine Einknickung der äußeren Oberfläche 34 des Faserkerns 32 zu bedingen, und zwar durch den polsternden Effekt, wie er durch die Poren 30 in der Umkleidung 28 bedingt wird. Diese Poren 30 ermöglichen es, daß deren relativ dünne und eine geringe Masse aufweisende Wände ausgedehnt oder darin hineingedrückt werden unter einem wesentlich geringerem Kraftaufwand des Blasengasdrucks als dies erforderlich wäre, um zu einer Einknickung der Oberfläche 34 des Kerns 32 zu führen. Somit werden die beispielsweise gezeigten Lichtstrahlen r'', die ähnlich den Strahlen r nach Fig. 5 sind, auf das Teil der Grenzfläche i¹, wo die Blase 14' und der Kern 32 vorliegen, innerhalb des kritischen Reflexionswinkels dieser Grenzfläche auffallen und nach innen bezüglich des Kerns 32 reflektiert werden, so daß eine Weiterleitung durch die Faser 26 und verbesserte Lichtübertragung resultieren.

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Der Polsterungseffekt der Poren 30 kann sich in verschiedenen Weisen zeigen, wobei drei Möglichkeiten in der Fig. 4 wiedergegeben sind. In dem einen Fall kann eine Gasblase b¹ einfach einen Teil des ümkleidungsmaterials 28 in eine benachbarte Pore 30 verdrängen, wie anhand der obersten Gasblase nach der Fig. 4 gezeigt. Wahlweise kann eine Blase b¹ reißen und der relativ dünne Abschnitt des ümkleidungsmaterials 28 führt dazu, daß die Gasblase in die Pore 30 austritt, wie anhand der mittleren Blase der Fig. 4 gezeigt. Ein weiterer Effekt ist anhand der untersten und größten Blase nach der Fig. 4 wiedergegeben, wonach die wesentlich größeren Gasblasen der Grenzfläche durch zwei oder mehr Poren 30 gepolstert werden können, die gegenüber Einknickungen der Abschnitte des ümkleidungsmaterials 28 in Richtung auf und in beide Poren nachgeben, mit oder ohne Zerreißen des Materials 28. In allen Fällen wird die äußere Oberfläche 34 des Kerns 32 praktisch unverzerrt gehalten, so daß sich eine optimale Lichtübertragung durch innere Totalreflexion längs derselben ergibt, entweder durch den Effekt der Differenz zwischen einem relativ hohen und einem niedrigen Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Umkleidungsmaterial oder einem ähnlichen Unterschied zwischen relativ hohem und niedrigem Brechungsindex, wie er an der Grenzfläche der Blasen b¹ zwischen Kern und Luft oder Gas vorliegt.

Es versteht sich, daß in erfindungsgemäßer Weise ausgebildete Fasern 26 ohne weiteres gebündelt und in den verschiedenen üblichen faseroptischen Vorrichtungen angewandt werden können. Wenn hier auch Fasern mit kreisförmigem Querschnitt und Poren 30 ebenfalls mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt worden sind, versteht es sich doch, daß auch rechtwinklige, sechseckige und alle anderen Querschnittsformen in der erfindungsgemäßen Weise hergestellt werden können.

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Der Erfindungsgegenstand ist nicht auf irgendeine spezielle einer oder mehrerer Querschnittsformen noch auf die kreisförmige Form der Poren 30 beschränkt, die auch wahlweise geradlinig in entweder kreisförmigen oder geradlinigen Fasern vorliegen kann.

Das Bündeln irgendwelcher der oben angegebenen Faserarten bei dem Herstellen von Vorrichtungen, die vakuumdicht sein müssen, würde nicht das Anwenden in fiberoptischen Vorrichtungen verhindern. Die Poren 30 der Fasern 26 würden während des üblichen Zusammendrückens bei dem Bündeln der Fasern automatisch verschlossen und abgedichtet werden, so wie dies bei dem Herstellen von vakuumdichten faseroptischen Platten und dgl. Vorrichtungen zur Anwendung kommt.

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Claims

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Patentansprüche

J Umkleidete lichtleitende Faser, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe einen Kern (32) aus einem lichtleitenden Material mit relativ hohem Brechungsindex und eine den Kern (32) umgebende Umkleidung (28) aus einem Material mit relativ niedrigem Brechungsindex aufweist, wobei die Umkleidung (28) in Berührung mit einer Reihe Kanäle (30) steht, die sich längsseitig über wenigstens eines Hauptteils der Länge desselben erstreckt, und der Kern (32) und die Umkleidung (28) eine Grenzflächenverbindung für die Lichtübertragung durch denselben vermittels innerer Totalreflexion längs der Grenzflächenverbindung darstellen.
2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß offene Kanäle (30) zwischen der Breite der Umkleidung (28) angeordnet sind.
3. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus Kern- und Umkleidungsmaterial (32, 28) im Querschnitt angenähert kreisförmig ist.
4. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus Kern- und Umkleidungsmaterialien (32, 28) im Querschnitt angenähert geradlinig ist.
5. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Kanäle (30) im Querschnitt kreisförmig sind.
6. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Kanäle (30) im Querschnitt geradlinig sind.
7. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Kanäle (30) über wenigstens einen Querschnitt der optischen Faser (26) durchgehend verschlossen und abgedichtet sind.

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8. Verfahren zum Herstellen einer umkleideten optischen Faser, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte :

a) Anordnen einer Stange aus einem lichtleitenden Material mit relativ hohem Brechungsindex mittig im Inneren einer Hülse aus einem Material mit relativ niedrigem Brechungsindex, die eine innere Durchmesserabmessung wesentlich größer als die äußere Durchmesserabmessung der Stange aufweist, so daß ein erheblicher Raum in ümfangsrichtung um die mittig angeordnete Stange verbleibt, und sodann

b) eine Reihe Rohre aus einem Material mit relativ niedrigem Brechungsindex längsseitig in den Raum über die Umfangsabemssung nebeneinander angeordnet wird, und sodann

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

d) die Anordnung in längsseitiger Richtung in eine Faser gezogen wird, wodurch die Stange, die Hülse und die Rohre miteinander als eine einstückige Einheit verschmelzen, die einen Kern und eine Umkleidung aufweist und besteht aus den Stangenmaterialien und der verschmolzenen Kombination der Hülsen- und Rohrmaterialien, wobei die Umkleidung Porositäten besitzt, die sich längsseitig über dieselbe in entsprechendem Lageverhältnis und proportionaler Größe erstreckt entsprechend den örtlichkeiten und Größen der Rohre in der ursprünglichen Anordnung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt des Zusammendrückens der Faser über ein kurzes Teil ihrer Länge in radialer Richtung ausreichend dergestalt, daß die öffnungen an diesem Teil der Faserlänge verschlossen und abgedichtet werden.

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10. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt des Trennens der Faser seitlich in eine Anzahl relativ kurzer Stücke derselben, Bündeln der Faserlänge nebeneinander angeordnet und Verbinden der Faserstücke des Bündels miteinander.
11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin gekennzeichnet durch den Arbeitsschritt des radialen Zusammendrückens des Bündels nach innen längs wenigstens eines relativ kurzen Teils der Länge derselben ausreichend unter Verschließen und Abdichten der Öffnungen in den Fasern über diese Bündellänge.

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