DE2504553C3

DE2504553C3 - Optisches Übertragungselement

Info

Publication number: DE2504553C3
Application number: DE2504553A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 1000 Berlin Oestreich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1975-01-31
Publication date: 1980-06-19
Also published as: IT1054522B; GB1540253A; DE2504553A1; DE2504553B2; US4129356A; FR2299653A1; JPS51103444A

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 (CH-PS 4 69 276, DE-AS 20 23 542, DE-OS 15 72 722).

Als Material für den Kern dieser einfachen optischen Übertragungselemente ist Glas, Plexiglas oder auch Kunststoff vorgesehen. Die für die Lichtübertragung notwendige Grenzschicht mit Totalreflexionseigenschäften 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

ίο 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, Seite 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.

*5 i)er Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dämpfung eines solchen hochwertigen optischen Übertragungselementes durch abgestrahltes oder absorbiertes Mantellicht zu vermeiden. Diese Aufeabe

wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Mantel und der Schutzhülle eine weitere Mantelschicht aus einem gasförmigen odi:r flüssigen Material vorgesehen ist, das einen kleineren Brechungsindex als das Material des ersten Manteis aufweist, und daß die Dicke der weiteren Mantelschicht etwa dem halben Durchmesser der Faser entspricht, mindestens aber 25 u.m beträgt

Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Faser lose in der Schutzhülle liegt und diese nur bereichsweise linienförmig berührt; ferner wird damit bewirkt, daß nicht nur wie üblich die Kernwelle als eigentlicher Signalträger benutzt wird, sondern auch die Mantelwelie 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 Manieloberflächen 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 Abstand zwischen Mantel und Schutzhülle ist daher so groß gemacht, daß dieses Licht nach Möglichkeit 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 diese » 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 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 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 wirri iuch die Bruchgefahr der sehr empfindlichen Fasern nerabgesetzt.

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 Manteloberfläche abstützt. Dabei soll es sich selbstverständlich um möglichst schmale Stege handeln, damit sie nur auf sehr kleiner Fläche, im Ideal linienförmig, auf der Manteloberfläche 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 Steilen die Stege nur auf ganz kurzem Weg die Manteloberfläche berühren, da sie gewissermaßen quer zu den Krümmungen verlaufen.

Das Ziel aller Bemühungen um optische Übertragungselemente ist es, derartige Elemente 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. Diese Stege 7 liegen auf der Oberfläche des Mantels 4

auf. Sie gewährleisten, daß zwischen dem ersten Mantel 4 und der Schutzhülle 6 eine weitere Mantelschicht 5 aus einem gasförmigen oder auch flüssigen Material sichergestellt wird, das einen kleineren Brechungsindex als das Material des ersten Mantels aufweist. Ferner wird durch die Stege sichergestellt, daß die Dicke der weiteren Mantelschicht 5 etwa dem halben Durchmesser der Faser 2 entspricht, mindestens aber 25 μιη beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 μιτι 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 Schu*zhülle 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.