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Optische Fasern Die Erfindung betrifft Fasern für die Übertragung
optischer Signale, Wellenleiter, optische Nachrichtenübertragung und dgl.
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Fasern sind zur Fortleitung optischer Energie infolge der Überlastung
der mit bisher üblichen Frequenzen arbeitenden Nachrichtensysteme zunehmend auch
als Wellenleiter von Interesse. Da an der Erschließung optischer Nachrichtensysteme
im Frequenzbereich von 1015 Hertz Interesse besteht, elektrische Wellenleiter aber
im Bereich 109 - 1012 Hertz arbeiten, werden optische Wellenleiterfasern in gebündelter
Form mit niedrigen Verlusten benötigt. Dabei müssen die einzelnen Bündel mit möglichst
geringen Eingabe- oder Kupplungsverlusten an die Lichtquelle und miteinander gekoppelt
werden. Die Signalverluste entstehen vornehmlich infolge unzureichender Packdichte
als sogenannte Packverluste, die bei einem ungünstigen Verhältnis der Fläche der
Faserkerne zur Fläche der ganzen Bündelendfläche entstehen. Beispielsweise fällt
nur etwa
337o der die Endfläche insgesamt beleuchtenden Energie
auf die Kernflächen, wenn die Fasern dicht gepackt sind und bei einer Manteldicke
von 1 mil s 0, 0254 mm einen Gesamtdurchmesser von 5 mil = 0, 127 mm haben. Wird
das Ende eines solchen Bündels durch Licht von einem anderen Bündel beleuchtet,
so ist die an das aufnehmende Bündel gekoppelte Lichtmenge noch geringer, weil die
Packverluste beider Windel bei Verbindung mit willkürlicher Faserorientierung berücksichtigt
werden müssen. Werden die Packverluste nicht drastisch herabgesetzt, so werden nur
15% der im abgebenden Bündel fortgepflanzten Lichtenergie in das aufnehmende Faserbündel
übertragen. Dies entspricht im Beispielfall einem Verlust von 8 dB. Derart hohe
Verluste sind untragbar, wenn man bedenkt, daß es bereits gelungen ist, die Dämpfungsverluste
auf 4 dB/km zu senken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Packverluste wesentlich herabzusetzen,
so daß die zur und von der Endfläche eines Faserbündels fortgepflanzte optische
Energie dichter ist.
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Diese Aufgabe wird durch die aus jeweils einem Kern und einem Mantel
mit geringerem Brechungsindex als dein des Kerns bestehenden und Seite an Seite
gebündelten und an den Enden zusammengehaltenen Fasern der Erfindung dadurch gelöst,
daß zumindest ein Teil des Mantels an den Faserenden entfernt ist. Die Manteldicke
an den zusammengefaßten Faserenden ist also kleiner als die Manteldicke im lichtübertragenden
Teil der Faser, während der Kerndurchmesser unverändert bleibt, über die gesamte
Faserlänge also gleich ist.
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In den Zeichnungen zeigen: die Figur 1 schematisch die bisher übliche
Faserbündelung am Faserende und die Figur 2 diese in Endansicht; die Figur 3 eine
zur Entfernung von Mantelmaterial am Faserende geeignete Vorrichtung; die Figur
4 die erfindungsgemäße Bündelung am Faserende; die Figur 5 eine erfindungsgemäße
Bündelung im Schnitt; die Figur 6 als Schaubild Verluste in Abhängigkeit von der
Manteldicke; die Figur 7 Fasern mit zwei Mantelschichten und die Figuren 8 und 9
im Schnitt Möglichkeiten der Anwendung der Erfindung auf solche Fasern.
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Fasern, wie gewöhnliche optische Fasern, Fasern für Wellenleiter usw.
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werden in Bündeln zusammengefaßt, um mehr Energie zu übertragen und
beim Ausfall einer oder mehrerer Fasern die Übertragung des gleichen Signals durch
die verbleibenden Fasern zu sichern. Die Faserenden können in einer Zwinge gefaßt
werden, welche die Endflächen der Fasern in einer gewünschten ausgerichteten Lage
hält, z. B. zu einer Lichtquelle, einem Photodetektor, einem weiteren Faserbündel
usw. Dies ist z. B.
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für bekannte Faserbündel in der Figur 1 gezeigt. Eine Lichtquelle
11 richtet ein Lichtbündel auf die Endfläche eines optischen Faserbündels 14, das
aus einzelnen Fasern mit einem vergleichsweise langen lichtübertragenden Teil, z.
B. von einer Länge von mehreren Metern oder Kilometern,
und einem
sehr viel kürzeren, in der winge 16 gehaltenen Endteil, z. B. einer Länge von einigen
Zentimetern, besteht. Die Fasern können untereinander und mit der Zwinge durch ein
geeignetes Klebemittel verbunden sein. Einige Klebemittel wirken gleichzeitig als
Schmier- oder Gleitmittel im ungehärteten Zustand und erleichtern damit die Einfügung
des Bündelendes in die Zwinge. Gegebenenfalls kann die Zwingenöffnung 17 auch verjüngt
ausgebildet werden. Die Zwinge besteht meist aus Messing, Aluminium, Glas und dgl.
und wird an der Endfläche zusammen mit den Faserenden zu einer optischen, in einer
Ebene liegenden Endfläche abgeschliffen. In dieser bekannten Ausführung haben die
Fasern über ihre gesamte Länge, einschließlich des Endteils, den gleichen Durchmesser.
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Fasern aus einem Kern und einem Mantel, z. B. als Wellenleiterfasern,
sind in der Figur 2 gezeigt. Jede Faser 21 besteht hier aus einem Kern 22 und einem
Mantel 23 mit geringerem Brechungsindex als dem des Mantels, deren Enden in einer
Zwinge 25 gehalten werden. Die Fasern sind dicht gepackt, und die Mittelpunkte der
Enden dreier aneinanderliegender Fasern liegen z. B. an den Scheiteln gleichseitiger
Dreiecke.
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Bei dicht gepackter Anordnung nimmt das Fa serbündel den kleinstmöglichen
Querschnitt ein, und diese Anordnung wird für die Faserenden bevorzugt.
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Die Packdichteifeines Faserbündelendes der in der Figur 2 gezeigten
Art errechnet sich nach der Gleichung
worin t die Manteldicke und D der Gesamtdurchmesser der Faser ist.
Soll eine Endfläche der in der Figur 2 gezeigten Art nach Figur 1 beleuchtet werden,
so steht nur ein Teil der Endfläche für die Sammlung von Licht zur Verfügung, nämlich
die Fläche der Faserkerne 22, während die Summe der Flächen der Fasermäntel 23 und
die Zwischenräume 26 zwischen den einzelnen Fasern hierfür ausfallen.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Teil der Mantelschicht oder sogar die
ganze Mantelschicht von den Faserenden des Bündels entfernt. Da hierdurch die Manteldicke
t der Gleichung abnimmt, steigt die Packdichte, und die Verluste an der Bündelendfiäche
werden kleiner. Um unnötige Verluste zu vermeiden, werden die Faserenden dabei möglichst
kurz gehalten und entsprechen zweckmäßig der Länge der Zwinge.
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Die Manteldicke kann z. B. durch Eintauchen in eine das Mantelmaterial
chemisch angreifende oder dieses lösende Flüssigkeit verringert oder ganz entfernt
werden. Hierbei kann die Dickenverringerung im Hinblick auf eine gewünschte Packdichte
eingestellt werden. Die verwendete Flüssigkeit richtet sich nach dem Mantelmaterial,
einem durchsichtigen Material, vie Glas, Plastik und dgl.. Kunststoffmantelschichten
können z. B. in ein Lösungsmittel getaucht werden. Einige Gläser werden durch eine
Säure, wie Flußsäure, Phosphorsäure und dgl., andere durch alkalische Lösungen,
wie Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und dgl. angegriffen. Da die Ätzrate eine Funktion
der Konzentration oder Stärke der chemischen Lösung und ihrer Temperatur ist, kann
die zu entfernende Menge des Mantelmaterials durch Regelung der Lösungskonzentration,
der Temperatur und der Eintauchzeit beherrscht werden (vgl. hierzu Shand, Glass
Engineering
Handbook, 2. Auflage, 1958 Kapitel 3). Meist können die Fasern ohne Vorreinigung
geätzt werden. Sind sie dagegen stark verschmutzt, z. B. mit Fett und dgl., so können
sie zuvor mit geeigneten Detergentien, Methanol, Trichloräthylen und dgl. gereinigt
werden.
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Wird das Bündelende in die Ätzlösung lediglich eingetaucht, so kann
es geschehen, daß die Umsetzungsprodukte von den Mantelflächen nicht rasch genug
abgespült werden und die Fasern des Bündels ungleichmäßig geätzt werden. Dies läßt
sich durch Bewegung der Ätzflüssigkeit, durch Rühren mit Ultraschall, auf mechanischem
Wege usw. beheben.
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Wie erwähnt, läßt sich erfindungsgemäß die Packdichte der verschiedensten
Faserbündel verbessern, außer Wellenleiterfasern z B. auch die Packdichte gewöhnlicher
optischer Fasern. Die Anwendung im Falle von Wellenleiterfasern ist besonders günstig,
weil hier die Mantelschichten häufig besonders dick sind, was zu einer ungünstigen
Packdichte führen würde.
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Das folgende Beispiel zeigt die Möglichkeit der Herstellung eines
Bündelendes, wobei optische Wellenleiterfasern in einem durch Ultraschall bewegten
Bad geätzt werden.
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Es wurde ein Bündel von 60 optischen Wellenleiterfasern hergestellt.
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Jede Faser bestand aus einem 3, 6 mil x 0, 091 mm im Durchmesser betragenden
Kern aus Schmelzkie s els äure, dotiert mit Germaniumoxid, und einer Mantelschicht
aus reiner Schmelzkieselsäure. Der Gesamtdurchmesser jeder Faser betrug ,4 mli X
Qs 14 mm. Das Ende des
Bündels wurde 13 Min. lang in ein mit Ultraschall
gerührtes Bad aus 48% Flußsäure bei 25 0 eingetaucht. Die Fasern wurden dann entnommen,
mit Wasser bei Ultraschall gewaschen, dann in ebenfalls durch Ultraschall bewegtem
Methanol gespült und auf einer Heißplatte getrocknet. Die so geätzten Fasern wurden
mit Epoxyharz in einer Glaszwinge eingebettet. Sodann wurden die Enden der Zwinge
und der Fasern mit feuchtem Schmirgelpapier (Nr. 600 Siliziumkarbid) poliert. Durch
das Ätzen verringerte sich der Durchmesser der Fasern auf etwa 3, 8 mil r 0, 097
mm. Durch Einsetzen in die Gleichung 1 erhält man eine Packdichte des geätzten Faserendes
von etwa 0, 81, während die ungeätzten Fasern nur eine Packdichte von etwa 0,40
ergeben.
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Die Ätzlösung braucht nicht bewegt zu werden, wenn die einzelnen Fasern
des Bündelendes vor Eintauchen in die Ätzlösung voneinander getrennt werden, wie
dies z. B. in der Figur 3 gezeigt ist. Die Fasern 28 des Bündels 29 sind hier über
die Oberfläche einer mit einer Wachsschicht 31 überzogenen Glasplatte gespreizt.
Die Faserenden werden dann in die Ätzlösung 33 eingetaucht und ohne Rühren für eine
zur Entfernung der gewünschten Menge der Mantelschicht ausreichende Zeitdauer belassen.
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Man erhält auf diese Weise sehr gleichmäßigeÄtzraten.
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Die Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Faserbündelende, in dem die
geätzten Faserenden 33 des Bündels 34 in einer Endzwinge 35 gefaßt sind. Die Leerstellen
zwischen den geätzten Enden 33 können mit einem Klebstoff 37 gefüllt werden, vorzugsweise
mit einem durchsichtigen Material mit geringerem Brechungsindex als dem des Faserkernmaterials,
damit
die Lichtfortpflanzung in den Enden möglichst gleich der in den noch mit der vollen
Mantelschicht bedeckten Faserteilen ist. In der gezeigten Ausbildung ist an den
Enden die gesamte Mantelschicht weggeätzt, sie bestehen also an den Endflächen 38
nur aus dem Kern. Beispiele geeigneter Klebstoffe sind Silikone, Äthylcyanoacrylat,
Epoxy, Methylsiloxan, usf. oder die Stoffe nach W. H. Veazie, "Properties of Optically
Transparent Adhesivestt, Juni 1972, National Technical Information Center, Veröff.
Nr. EPIC-IR-76.
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Es kann in einigen Fällen erwünscht sein, eine Mindestschicht des
Mantels auf den Faserenden zu belassen. Das durchsichtige Mantelmaterial ist gewöhnlich
weniger absorbierend als der Klebstoff und ist daher eine bessere lichtreflektierende
Grenzfläche. Wird der Mantel ganz oder fast ganz entfernt, so übernimmt der Klebstoff
die Funktion des Mantels, und es können größere Absorptionsverluste entstehen. Die
Mantelschicht ist "fast ganz" dann entfernt, wenn die verbleibende Schicht so dünn
bzw. gering ist, daß ein großer Teil der außerhalb vom Kern fortgepflanzten Energie
nicht mehr in der Mantelschicht läuft. Hat der Klebstoff auch noch einen größeren
Brechungsindex als der Kern, so wird dem Kern an den geätzten Faserenden Lichtenergie
entzogen und zum großen Teil vom Klebstoff absorbiert. Diese Lichtenergie geht also
verloren.
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Infolgedessen kann die Ausbildung der Figur 5 günstig sein, in der
die Mantelschicht der Fasern 41 nur teilweise entfernt ist. Zwar ist die Packdichte
an der Endfläche 42 nicht ganz so groß wie bei vollständiger Entfernung des Mantels.
Die belassenen dünnen Mantelschichten der
Fasern bewirken dafür
aber eine rationelle Lichtfortpflanzung durch den in der Zwinge 46 gefaßten Bündelteil.
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Aus der Figur 5 ist auch der über die gesamte Faserlänge gleichbleibende
Kerndurchmesser ersichtlich. Die Zwinge ist hier verjüngt ausgebildet, was die Einführung
des Bündelendes erleichtert.
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Die Kennlinien der Figur 6 beziehen sich auf den Beispielfall der
Figur 5, wobei insgesamt 61 Fasern aus einem 3,6 mil r: 0,091 mm dicken Kern aus
Schmelzkieselsäure, dotiert mit Germaniumoxid, und einer anfänglichen Manteldicke
von 1, 7 mil r 0, 043 mm aus reiner Schmelzkieselsäure vorgesehen sind. Die Kurve
61 zeigt die Änderung der Packdichteverluste bei wechselnder Manteldicke. Die Verluste
steigen mit zunehmender Manteldicke.
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Hat aber der verwendete Klebstoff einen größeren Brechungsindex als
die Kerne der Fasern, so steigt der in der Kennlinie 63 als Funktion der Manteldicke
abgetragene Immersionsverlust bei Manteldicken unter etwa 2 mil X 0, OS mm scharf
an, weil infolge des hohen Brechungsindex des Klebs1Dffes dem Mantel sehr viel Energie
entzogen wird. Die Summe dieser Immersions- und Packdichteverluste ist durch die
Kennlinie 65 dargestellt. Bei einer Manteldicke von etwa 0,2 mil X 0, 005 mm entstand
ein Mindestgesamtverlust von etwa 1, 65 dB, und der Gesamtverluft blieb bei Dicken
von 0, 17 - 0,25 mil =0,004 - O, OOb mm auf dem vergleichsweise geringen Wert von
1, 75 dB.
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Anstelle der gezeigten kreisrunden Zwingen können auch andere Formen,
z.B quadratische,dreieckige, rechteckige usw., verwendet werden. Dies gilt entsprechend
auch für die Faserquerschnitte. Besonders interessant sind einander entsprechende,
z. B. quadratische oder rechteckige Querschnitte von Fasern und Zwingen. Die Packdichte
nähert sich hier bei der Manteldicke Null dem Wert 1.
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Während in gewöhnlichen optischen Fasern, z. B. nach US-PS 2 98Q 957
und 3 227 032 der Unterschied zwischen dem jeweiligen Brechungsindex von Kern und
Mantel groß ist und die Manteldicke nur etwa 1/10 der Kerndicke beträgt, liegen
die Verhältnisse bei Wellenleiterfasern, z.B.
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nach US-PS 3 659 915 und 3 737 292, auf welche der Erfindungsgedanke
ebenfalls anwendbar ist, ganz anders. Hier ist der Unterschied des Brechungsindex
von Kern und Mantel meist gering, und das Verhältnis des Fasergesamtdurchmessers
zum Kerndurchmesser beträgt 10 : 1 bis 300 : 1 in Wellenleitern der Fortpflanzung
in einer Wellenform (single mode) und etwa 1001 : 1000 bis 10 : 1 in Wellenleitern
mit Fortpflanzung in mehreren Wellenformen (multimode). Die meiste Energie wird
hier im und um den Kern fortgepflanzt.
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Die Figur 7 zeigt als weiteres Beispiel einen Wellenleiter mit mehreren
Mantelschichten, nach der US-PS 3 737 293 z. B. mit einem 4 dicken Kern, einem ersten
40 71m dicken Mantel und einem zweiten 150 ,um dicken Mantel. Zur Verbesserung der
Packdichte dieses Wellenleiters kann die äußere Mantelschicht 69, wie in der Figur
8 gezeigt, entfernt werden; zur noch größeren Packdichte werden beide
Schichten
68, 69 entfernt, Figur 9. Teile einer oder beider Schichten können belassen werden;
so besteht also die Möglichkeit, verschiedene Packdichten je nach Maßgabe des Brechungsindex
des Kerns und des Klebstoffs zu erzielen.
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In manchen Wellenleitern ist die Mantelschicht unterschiedlich aufgebaut,
z. B. nach der US-PS 3 647 406 mit einem vom Kern bis zur Oberfläche allmählich
abnehmenden Brechungsindex, vgl. auch US-PS 3 614 197 und 3 658 407. Die Herstellung
der abgestuften Schichten kann z. B. durch Ionenaustausch erfolgen. In allen Fällen
kann erfindungsgemäß die den Kern mit der meisten Energiefortpflanzung umgebende
Schicht (Mantel) geringerer Energiefortpflanzung ganz oder teilweise entfernt werden,
wodurch nur geringe Verluste entstehen, die Packdichte aber erheblich verbessert
wird.
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Patentans prüche