DE2335142C2

DE2335142C2 - Lichtleitfaser und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2335142C2
Application number: DE2335142A
Authority: DE
Inventors: Walter Paul Woodstock Conn. Siegmund
Original assignee: Warner Lambert Technologies Inc Dallas Tex; Warner Lambert Technologies Inc
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1972-08-28
Filing date: 1973-07-07
Publication date: 1986-01-02
Also published as: US3920312A; FR2198159A1; DE2335142A1; FR2198159B3; CA983747A; NL7310337A; JPS4960746A; GB1394535A; BE804081A; JPS566522B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser mit einem Kern aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex und einer an dem Kern anliegenden dünnen Ummantelung aus einem Material mit relativ niedrigem Urccliuiigsindcx und ein Verfahren zu deren Herstellung.

nine ummantelte Lichtleitfaser der vorstehenden Art ist unter anderem Gegenstand der US-PS 33 50183 und der US-PS 36 53 739.

Bei der Herstellung von einer mit einer Ummantelung versehenen Lichtleitfaser treten regelmäßig an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern und der Faserhülle Lufteinschlüsse bzw. Gasblasen auf, welche zu unregebnäßigeii Einbuchtungen der Faseroberfläehe führen. Bei Gebrauch der Faser entstehen an diesen Stellen Lichtverluste, welche darauf zurückzuführen sind, daß

ίο das durch die Faser geleitete Licht an den betreffenden Stellen unter einem oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion liegenden Winkel auf die Grenzfläche der Faser auftrifft.
Durch die GB-PS11 89 265 ist es auch schon bekannt

is geworden, bei einem der Fernüberwachung von Feuerungsanlagen dienenden Lichtleitstab eine äußere Ummantelung aus einem textlien Stoff vorzusehen, welche der Oberfläche des Lichtleitstabes lediglich mit einzelnen Fasern aufliegt Eine solche Anordnung läßt sich

2G jzdcch weder zu dünnes LJchilckfssern suszkhsn, noch zu dichten Faserbündeln zusammensetzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer herkömmlichen, mit einer einfachen Ummantelung versehenen Lichtleitfaser die Streulicht-Verluste zu verringern, welche darauf zurückzuführen sind, daß zwischen Csm Kern und der Ummantelung eingefangene bzw. während des Ziehprozesses entstehende Gasblasen zu lokalen Verformungen des Faserkernes führen, aufgrund derer das in der Lichtleitfaser

3β transportierte Licht auf die Grenzfläche mit Winkeln auftrifft, die nicht mehr innerhalb des kritischen Reflexionswinkelbereiches liegen, innerhalb dessen eine Totalreflexion stattfindet Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch eine Anbringung von Längskanäten in der dünnen Ummantelung AusdehnungsmöglichkeitrfD für die zwischen Kern und Ummantelung eingefangenen Gasblasen geschaffen werden können, welche eine Verformung der Kerne in dem vorstehend erwähnten schädlichen Sinn verhindern. Die Längskanäle bewirken somit einen Polsterungseffekt wobei sie durch die Gasblasen, wie im folgenden noch näher geschildert deformiert und/oder zu den Gasblasen hin aufgerissen werden können. Solange die Oberfläche des Kernes selbst nicht deformiert wird, stört auch das Vorhandensein der Gasblasen nicht, da diese, wie das Material der Ummantelung einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das Material des Kernes.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigt

F i g. 1 die Darstellung eines Verfahrens zum Ziehen optischer Fasern ausgehend von einer Anordnung aus Faserkern- und Umkleidungsmaterialien;

Fi g. 2 einen stark vergrößerten Querschnitt der Anordnung der Materialien längs der Linie 2-2 in F i g. 1 beim Ziehen einer Paser in der erfindungsgemäßen Weisr;

F i g. 3 einen Schnitt durch die fertige Faser entlang der Linie 3-3 in F ig. 1;

Fig.4 einen noch weiter vergrößerten Querschnitt

h5 eines Teils der Faser nach Fig. 3: und

Fig.5 einen Schnitt durch eine ummantelte Faser nach dem Stand der Technik.
Gemäß den Zeichnungen he/iehl sich dir Γ.ιίίικΙιιιι^

auf das Herstellen optischer Fasern mit Kernen aus einem Material mit hohem Brechungsindex, die durch UmkJeiduDgen mit einem Material mit niedrigerem Brechungsindex umgeben sind, wodurch eine im Inneren reflektierende, den Kern umgebende Grenzfläche gebildet wird, so daß die Fasern nach den allgemein bekannten Grundsätzen der inneren Totalreflexion lichtleitend werden. Diesbezügliche Einzelheiten finden sich z. B. in den US-PS 28 26 260,33 95 994 und 36 53 739.

Wie weiter unten im einzelnen erläutert wird, 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 Faserhersteüungsverfahren und Methoden, bei denen der Erfindungsgegenstand insbesondere anwendbar ist, finden sich unter anderem in den US-PS 29 80 957 und 30 37 241, wonach ein Faserkernmaterial in Stangenform in das Innere einer Hülse oder eines Rohres aus Faserumkleidungsmaterial gebracht wird unter Ausbildung einer Anordnung, die erhitzt und auf Fassrgröße gestreckt werden kann.'

Wenn auch nach dem Stand der Technik beim Herstellen derartiger Fasern bereits ein Vakuum zwischen Stange und Rohr aufrechterhalten, 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 bedingie Verformungen -an der Grenzfläche bisher ernsthafte Probleme verursacht in Form einer hohen Ausschußrate bzw. des Entstehens mangelhafter Fertigprodukte bei der Herstellung umkleideter faseroptischer Vorrichtungen.

Das Problem der Verformung ist anhand der F i g. 5 erläutert und es ist aufgezeigt, welche neuartigen und verbesserten Ergebnisse erfindungsgemäß erhalten werden.

in dieser Figur find Gasblasen b in beispielhaften, jedoch etwas übertrieben wiedergegebenen Größen und Formen längs der Grenzfläche /zwischen dem Kern 10 und der Umkleidung 12 bei einer Faser F nach dem Stand der Technik dargestellt Diese eingefangenen Blasen b erzeugen Einbuchtungen oder Vertiefungen 14 in der Oberfläche des Kerns 10, wobei diese Einbuchtungen 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-PS weiterhin erläutert ist, ist das Vorliegen einer glatten, inneren, reflektierenden Oberfläche längs eines optischen Faserkerns 10 für eine optimale Lichtübertragung durch innere Totalreflexion längs desselben erforderlich. Bei jedem Auffallen eines Lichtstrahls auf die Grenzfläche / erfordert dessen fortgesetzte Leitung durch die Faser F, daß eine Reflexion von der Grenzfläche / innerhalb des kritischen Reflexionswinkels für die spezielle Grenzfläche erfolgt Somit ist der beispielsweise wiedergegebene Strahl r normalerweise innerhalb des kritischen Reflexionswinkels auf die Grenzfläche / gerichtet Beim Auftreffen dieses Strahls r auf die Oberfläche der Einbuchtungen 14, die durch eine Gasblase b bedingt sind, wird er nach außen bzw. über den normalen kritischen Reflexionswinkel für die Grenzfläche /hinaus gestrenf. Dieses Streuen ist durch die Pfeile r¹ wiedergegeben, die Lichtstrahlen zeigen, welche durch die Seiten der Faser FaIs Streulicht verloren gehen, wodurch die insgesamt durch den Kern 10 der Faser Ferfolgende Lichtübertragung verringert wird.

Erfindungsgemäß werden nun die umkleideten optischen Fasern dadurch erzeugt, daß eine Herstellung

ίο nach den allgemein bekannten Verfahren erfolgt, von denen eines diagrammförmig in der F i g. 1 wiedergegeben ist Hierbei weist die Anordnung 16 eine zentrale Stange 18 (siehe Fig.2) aus einem geeigneten lichtleitenden Material mit relativ hohem Brechungsindex auf, wie z. B. optisches Flintglas mit einem Brechungsindex von angenähert 1,75. Unmittelbar benachbart zu der Stange 18 und sich über die volle Lange ihrer Seiten erstreckend liegen Rohre 20 aus einem Umkleidungsmaterial mir niedrigerem Brechungsindex, die durch eine äußere umgebende Hülse 22 an Ov. and Stalle gehalten werden, welche vorzugsweise aus oeir gleichen Material gefertigt ist, wie dasjenige, das für die Rohre 20 angewandt wird, z. B. Kronglas mit einem Brechungsindex von angenähert 1,52.

Die P. tioirdnung 16 wird in der üblichen Weise über einem geeigneten, vorzugsweise ringförmigen Erhitzungselement 24 aufgehängt, 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 US-PS 29 80 957 und 30 37 241.

Wie anhand der F i g. 3 gezeigt, weist die Faser 26 die geschmolzene Kombination aller Bestandteile 18, 20 und 22 in 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 imorphe äußere Umkleidung 28, die Poren 30 besitzt Die Poren 30 erstrecken sich durch die Umkleidung 28 in einem entsprechenden Lageverhältnis zu den Lumen 20' der Rohre 20 in der Anordnung 16 (F i g. 2). Die Umkleidung 28 ist mit dem Kern 32 der Faser 26 verschmolzen, wodurch sich eine innere reflektierende

Grenzfläche /' ergibt Der Zweck und die Funktion der Poren 30 läßt sich insbesondere unter Bezugnahme auf

die F i g. 4 erläutern unter Berücksichtigung der in der

F i g. 5 gezeigten Faser Fnach dem Stand der Technik. In dem Fall der Faser 26 werden eingefangene Gas-

blasen 14', die in entsprechenden Lagen, mit entsprechenden Formen und Größen der beispielsweisen Blasen 114 nach F i g. 5 gezeigt sind, daran gehindert, eine m«rk!.^:2hs, wenn überhaupt eine Einknickung der äußeren Oberfläche 34 des Faserkerns 32 zu bedingen, und zwar durch den pcfcternden 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 wesentlieh geringcrem Kraftaufwand des Blasengasdrucks als dies erforderlich wäre, um zu einer Einknickvng der Oberfläche 34 des Kerns 32 zu führen. Sonr.it werden die beispielsweise gezeigten Lichtstrahlen r", die ähnlich den Strahlen r nach F i g. 5 sind, auf das Teil der Grenzfläche /', 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.

Der Polsterungseffekt der Poren 30 kann sich in verschiedenen Weisen zeigen, wobei drei Möglichkeiten in der F i g. 4 wiedergegeben sind. In dem einen Fall kann eine Gasblase ^'einfach einen Teil des Umkleidungsmaterials 28 in eine benachbarte Pore 30 verdrängen, wie anhand der obersten Gasblase nach der F i g. 4 gezeigt. Wahlweise kann eine Blase b' reißen und der relativ dünne Abschnitt des Umkleidungsmaterials 28 führt dazu, daß die Gasblase in die Pore 30 austritt, wie anhand der mittleren Blase der F i g. 4 gezeigt. Ein weiterer Effekt ist anhand der untersten und größten Blase nach der F i g. 4 wiedergegeben, wonach die wesentlich größeren Gasblasen der Grenzfläche durch zwei oder mehr is Poren 30 gepolstert werden können, die gegenüber Einbuchtungen der Abschnitte des Umkleidungsmaterials I~ 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 b' 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 mit ebenfalls kreisförmigem Querschnitt gezeigt worden sind, versteht es sich doch, dsß such rechtwinklige, sechseckige und alle anderen Querschnittsformen in der erfindungsgemäßen Weise hergestellt werden können. 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 ober angegebenen Faserarten bei dem Herstellen von Vorrichtungen, die luftdicht 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 un& abgedichtet werden, so wie dies bei so dem Herstellen von luftdichten faseroptischen Platten und dgl. Vorrichtungen zur Anwendung kommt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Lichtleitfaser mit einen) Kern (32) aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex und einer an dem Kern (32) anliegenden dünnen Ummantelung (28) aus einem Material mit relativ niedrigem Brechungsindex, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Ummantelung (28) eine Reihe von Längskanälen (30) vorgesehen ist, die sich in ihrer Lange zumindest Ober einen Hauptteil der Lichtleitfaser erstrecken und im Bereich von während des zur Herstellung angewandten Ziehprozesses zwischen dem Kern (32) und der Ummantelung (28) eingefangenen Gasblascn (b¹) deformiert und/ oder zu den Gasblasen (b')\än geöffnet sind.

2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanal« (30) etwa in der Mitte der Mantebdticht (28) angeordnet sind.

3. LJChuciuoSST iiSCh AnSpTSCu i GuET 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Kanüle (30), soweit sie nicht durch Blasen (b') deformiert sind, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

4. Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (30), soweit sie nicht durch Blasen (b') deformiert !find, einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

5. Lichtleitfaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (30) an zumindest einer Stelle längs der Lichtleitfaser verschlossen und abgedichtet sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer mit einer Ummantelung versehenen Lichtleitfaser gemäß einem der vorstehenden Ansprüche*, bei dem eine Stange aus einem lichtdurchlässigen Material mit relativ hohem Brechungsindex mittig im Inneren einer Hülse aus einem Material mit relativ niedrigem Brechungsindex angeordnet wird, diese Anordnung auf sine Schmelz- und Ziehtemperatur erhitzt und die Anordnung anschließend in Längsrichtung zu einer Faser ausgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser der Hülse wesentlich größer als der äußere Durchmesser der Stange gewählt wird, so daß zwischen der Hülse und der mittig in dieser angeordneten Stange ein freier Raum verbleibt, und daß in dem freien Raum eine Reihe von Rohren aus einem Material mit niedrigerem Brechungsindex als dem des Stangenmaterials längs aneinander angrenzend angeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse und die Rohre aus dem gleichen Material bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser in erhitztem Zustand über ein kurzes Längsteil in radialer Richtung zusammengedrückt wird, um dort die Kanäle zu verschließen und abzudichten.