DE2504553B2 - Optisches Übertragungselement - Google Patents
Optisches ÜbertragungselementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Übertragungselement für eine dämpfungsarme Nachrichtenübertragung,
das als eine mehrschichtige, aus Kern und Mantel bestehende Faser aufgebaut und mit einer Schutzhülle
umgeben ist, wobei für Kern und Mantel optisch hochwertige Materialien vorgesehen sind und das
Material des Mantels einen kleineren Brechungsindex als das des Kernes aufweist.
Für Beleuchtungszwecke oder optische Abbildungen ohne großes Auflösungsvermögen sind bereits einfache
optische Übertragungselemente bekannt, die aus einem stabförmigen einschichtigen Kern bestehen, der von
einer auf Abstand gehaltenen Schutzhülle umgeben ist ,'CÜ-PS 4Ö9 276. DE-AS 20 23 542, DE-OS
Als Material für den Kern dieser einfachen optischen Übertragungselemente ist Glas, Plexiglas oder auch
Kunststoff vorgesehen. Die für die Lichtübertragung notwendige Grenzschicht mit Totalreflexionseigenschaften
wird bei diesen Übertragungselementen dadurch erzielt, daß sich in dem Zwischenraum
zwischen Kern und auf Abstand gehaltener Schutzhülle ein gasförmiges, flüssiges oder auch festes Medium mit
einem Brechungsindex kleiner als das des Kernmaterials befindet. Überwiegend wird dazu einfach Luft verwendet
Für höherwertige Ansprüche an optische Übertragungselemente entsprechend dem Gattungsbegriff der
Erfindung sind die lichtleitenden Fasern mehrschichtig aus Kern und Mantel aufgebaut, und diese Faser ist mit
einer Schutzhülle umgeben. Das in den Kern eingeleitete Licht wird dabei an der Grenzfläche Kern/Mantel
durch Totalreflexion in den Kern zurückgeworfen. Das Licht durchläuft die Faser, geometrisch-optisch gesehen,
in Zickzackform.
Die Entwicklung der letzten Jahre hat zu optischen Übertragungselementen mit nur 2 dB-Dämpfung je km
Länge geführt (DE-OS 23 49 906; DE-Z »Elektrotechnik«, 56, Heft 17, vom 5. September 1974,SeWe 14 bis 17;
DE-Z »Elektrotechnik«, 56, Heft 18, vom 19. September 1974, Seite 16 bis 18). Dadurch tritt die Nachrichtenübertragung
mittels Lichtwellenleiter in den Bereich des Möglichen.
Neben dieser unvermeidbaren Dämpfung im Material des Kerns treten aber auch dadurch weitere Verluste
auf, daß trotz Totalreflexion ein Teil des Lichtes in dem den Kern umschließenden Mantel, und zwar dort
innerhalb einer zylindrischen Schicht von mehreren Mikrometern Dicke transportiert wird. Nach neuesten
Erkenntnissen hängt die Dicke dieser Schicht von der optischen Kopplung der aufeinanderfolgenden Schichten
und damit auch von deren optischen Kenngrößen, dem Brechungsindex und dem Absorptionskoeffizienten
ab. Dieser Anteil des Lichtes darf insbesondere bei einer Übertragung über längere Strecken ohne Zwischenverstärkung
nicht vernachlässigt werden. Es ist daher erforderlich, Lichtverluste im Mantel ebenfalls so gering
wie möglich zu halten. In Krümmungen erhöht sich der Anteil des Lichtes im Mantel noch mit abnehmendem
Krümmungsradius, da man immer näher an den Winkel der Totalreflexion herankommt, ihn teilweise sogar
überschreitet. Zur Vermeidung höherer Dämpfung darf dieses Mantellicht aber nicht verlorengehen. Verlorengehen
kann es durch die Abstrahlung in die Umgebung, z. B. in die Luft, wenn der hierfür vorgeschriebene
Winkel der Totalreflexion überschritten wird. Das tritt besonders dann auf, wenn die Mantelaußenfläche
Unregelmäßigkeiten aufweist. Weiterhin kann ein Verlust auftreten, wenn die Schutzhülle, die um die
Faser herumliegt, aus einem Material besteht, das einen größeren Brechungsindex als das Mantelmaterial
besitzt, und diese Schutzhülle direkt in optischen Kontakt mit der Manteloberfläche kommt. Die für
Schutzhüllen verwendeten Kunststoffe haben alle einen Brechungsindex, der größer als der des Mantels ist. Es
gibt dann keinen Winkel der Totalreflexion mehr, d. h. alles Licht, das an diese Grenzfläche kommt, geht aus
dem Mantel heraus und ist für den Lichttransport in der Faser verloren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dämpfung eines solchen hochwertigen optischen
Übertragungselementes durch abgestrahltes oder ab-
! 722). sorbiertes Manteüicht zu vermeiden. Diese Aufgabe
wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen
dem Mantel und der Schutzhülle eine weitere
Mantelschicht aus einem gasförmigen oder flüssigen Material vorgesehen ist, das einen kleineren Brechungsindex
als das Material des ersten Mantels aufweist, und ■>
daß die Dicke der weiteren Mantelschicht etwa dem halben Durchmesser der Faser entspricht, mindestens
aber 25 μΐη beträgt.
Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Faser
lose in der Schutzhülle liegt und diese nur bereichs weise ι ο
linienförmig berührt; ferner wird damit bewirkt, daß nicht nur wie üblich die Kernwelle als eigentlicher
Signalträger benutzt wird, sondern auch die Mantelwelle zur Nachrichtenübertragung mit herangezogen wird.
Durch die Anordnung der weiteren Mantelschicht mit einem kleineren Brechungsindex als dem des ersten
Mantels tritt an der Grenzfläche zwischen Mantel und der direkt anschließenden Schicht größtenteils wieder
Totalreflexion auf. Bei guten glatten ManteloDerflächen
wird daher nur sehr wenig Licht abgestrahlt. Genau wie bei der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen
Kern und Mantel wird auch bei dieser Totalreflexion zwischen Mantel und beispielsweise umgebender Luft
ein Teil des Lichtes in einer zylinderförmigen Luftschicht
um den Mantel herum transportiert. Der 2~> Abstand zwischen Mantel und Schutzhülle ist daher so
groß gemacht, daß dieses Licht nach Möglichkeil nicht mit der Schutzhülle in Berührung gerät. Das in den
Mantel geratene Licht kehrt teilweise in den Kern zurück oder wird als Mantellicht empfangen. Auf diesi to
Weise wird die Dämpfung in dem optischen Übertragungselement sehr klein gehalten.
Derartige optische Übertragungselemente eignen sich daher besonders für die Anwendung von Kabeln
mit kurzen Verseilschlägen, die durch die Verlegung im s> Ortsnetz häufig gekrümmt sind und wobei für diese
spezielle Verlegung ohne zwischengeschaltete Verstärker gearbeitet werden soll.
In Weiterbildung der Erfindung soll die Schutzhülle
aus hartem, nicht rißanfälligem Kunststoff mit hohem -w
Ε-Modul bestehen, der die Herstellung einer glatten
Innenoberfläche der Schutzhülle ermöglicht. Wie bereits ausgeführt, geht immer dann Licht verloren,
wenn die Schutzhülle in direkten Kontakt mit der Manteloberfläche kommt. Dieser letzte Effekt ist
druckkraftabhängig, da der optische Kontakt und auch die Fläche, auf der die Schutzhülle den Mantel berührt,
von der Kraft abhängt mit der die Schutzhülle auf diesen Mantel gedrückt wird. In Krümmungen ist das
natürlich besonders groß. Deshalb wird eine harte, panzerartige Schutzhülle vorgeschlagen. Mechanische
Beanspruchungen, besonders auf kleiner Fläche, werden von der Hülle aufgefangen und nicht auf die Faser
übertragen. Neben dem direkten Kontakt zwischen Schutzhülle und Faser wird dadurch auch noch
vermieden, daß die Faser auf kleiner Länge, d. h. also mit kleinem Krümmungsradius, verbogen wird. Dadurch
sinkt weiter der Anteil des Lichtes, der in den Mantel gelangt, und darüber hinaus wird auch die Bruchgefahr
der sehr empfindlichen Fasern herabgesetzt. ω>
Damit der Zwischenraum zwischen Faser und Schutzhülle stets in gleicher Dicke erhalten bleibt, sieht
eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß sich die Schutzhülle über mehrere nach innen gerichtete,
in Längsrichtung verlaufende Stege an der Mantelober- t,r,
fläche abstützt Dabei soll es sich selbstverständlich um möglichst schmale Stege handeln, damit sie nur auf sehr
kleiner Fläche **" l^**9! linignförmify nuf Ht»r V4antp|-
oberfläche aufliegen.
Im Hinblick auf eine konstruktive Ausgestaltung dieser Stege empfiehlt es sich, daß die Stege keilförmig
derart ausgebildet sind, daß die Keilspitzen auf der
Manteloberfläche aufliegen. Damit ist die nahezu linienförmige Berührung zwischen Schutzhülle und
Mantel gewährleistet Auf der anderen Seite haben die Stege durch ihre Keilform aber eine ausreichende
Stabilität um auch höheren Drücken, wie sie beispielsweise in Krümmungen auftreten, standzuhalten. Um die
Faser zentrisch in der Schutzhülle zu fixieren, sieht die Erfindung vor, daß wenigstens drei symmetrisch
angeordnete Stege vorgesehen sind. Um die Auflagefläche noch zu verringern, können diese Stege in
Längsrichtung noch unterbrochen ausgebildet werden, so daß man Noppenreihen erhält, die sich nur
punktförmig auf der Manteloberfläche abstützen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich daraus, daß die Stege schraubenförmig um die Glasfaser
verlaufend angeordnet sind. Der Anteil des Mantellichtes und die damit verbundene Gefahr der Absorption in
den berührenden Stegen erhöht sich besonders in Krümmungen. Durch den schraubenförmigen Verlauf
der Stege wird aber gewährleistet, daß an solchen kritischen Stellen die Stege nur auf ganz kurzem Weg
die Mantelobcrfläche berühren, da sie gewissermaßen quer zu den Krümmungen verlaufen.
Das Ziel aller Bemühungen um optische Übertragungselemente ist es, derartige F lemente zu einem
Kabel, ähnlich den herkömmlichen elektrischen Nachrichtenkabeln, zu verbinden, d. h. im Sprachgebrauch
der herkömmlichen Kabel, zu verseilen. Für die im Rahmen einer solchen Anwendung vorgesehenen
optischen Übertragungselemente empfiehlt es sich, daß die Periodenlänge der schraubenförmig um die Faser
verlaufenden Stege vom Verseilschlag des herzustellenden Kabels abweicht. Der Verseilschlag des Kabels gibt
praktisch die Krümmung an. Da das Licht in Krümmungen den Mantel im wesentlichen tangential
nach außen gerichtet verläßt, wird durch eine abweichende Periodenlänge der schraubenförmig verlaufenden
Stege wiederum erreicht, daß die Berührungsfläche zwischen Stegen und Mantelfläche an
derartigen kritischen Stellen klein gehalten wird.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im einzelnen erläutert. Die Figur zeigt einen
senkrechten Schnitt durch ein dämpfungsarmes optisches Übertragungselement mit einer lose in einem
definierten Abstand von der Schutzhülle gehaltenen Faser.
Das optische Übertragungselement 1 besteht aus einer aus einem Kern 3 und einem Mantel 4 gebildeten
Faser 2 sowie einer die Faser 2 umgebenden Schutzhülle 6 aus hartem, elastischem Material. Als Material für die
Schutzhülle kommen beispielsweise Kunststoffe, wie Polypropylen oder Gemische von Polypropylen mit
anderen Materialien, Polystyrol, Nylon oder Polyester in Frage, auf jeden Fall Kunststoffe, die einen hohen
Ε-Modul besitzen. Der Innendurchmesser der Schutzhülle 6 ist wesentlich größer als der Außendurchmesser
der Faser 2. Der Abstand zwischen Faser und Schutzhülle soll so groß sein, daß das in dem
Zwischenraum geführte Licht nicht mit der Schutzhülle 6 in Berührung kommt. Um die Faser 2 in der
Schutzhülle 6 zu zentrieren, ist diese mit drei nach innen gerichteten, keilförmigen, in Längsrichtung schraubenförmig
um die Faser 2 verlaufenden Stegen 7 versehen.
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5 6
auf. Sic gewährleisten, daß zwischen dem ersten Mantel wird durch die Stege sichergestellt, daß
4 und der Schutzhülle 6 eine weitere Mantelschicht 5 auf weiteren Mantelschicht 5 etwa dem halh
einem gasförmigen oder auch flüssigen Material scr der Faser 2 entspricht, mindesten
sichergestellt wird, das einen kleineren Brechungsindex beträgt,
als das Material des ersten Mantels aufweist. Ferner ■-,
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Optisches Übertragungselement für eine dämpfungsarme Nachrichtenübertragung, das als eine
mehrschichtige, aus Kern und Mantel bestehende Faser aufgebaut und mit einer Schutzhülle umgeben
ist, wobei für Kern und Mantel optisch hochwertige Materialien vorgesehen sind und das Material des
Mantels einen kleineren Brechungsindex als das des Kernes aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Mantel (4) und der Schutzhülle (6) eine weitere Mantelschicht (5) aus einem gasförmigen
oder flüssigen Material vorgesehen ist das einen kleineren Brechungsindex als das Material des
ersten Mantels aufweist, und daß die Dicke der weiteren Mantelschicht (5) etwa dem halben
Durchmesser der Faser (2) entspricht, mindestens aber 25 μπι beträgt
2. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (6)
aus hartem, nicht rißanfälligem Kunststoff mit hohem Ε-Modul besteht, der die Herstellung einer
glatten Innenoberfläche der Schutzhülle ermöglicht.
3. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die
Schutzhülle (6) über mehrere nach innen gerichtete, in Längsrichtung verlaufende Stege (7) an der
Oberfläche des ersten Mantels (4) abstützt.
4. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (7)
keilförmig derart ausgebildet sind, daß die Keilspitzen auf der Oberfläche des ersten Mantels (4)
aufliegen.
5. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei
symmetrisch angeordnete Stege (7) vorgesehen sind.
6. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stege (7) in Längsrichtung unterbrochen ausgebildet sind.
7. Optisches Übertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stege (7) schraubenförmig um die Faser (2) verlaufend angeordnet sind.
8. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 7, das durch Verseilen mit vielen gleichartigen ein
Kabel bildet dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge der schraubenförmig um die Faser (2)
verlaufenden Stege (7) vom Verseilschlag des Kabels abweicht.
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