DE2513861A1 - OPTICAL FIBER ARRANGEMENT - Google Patents

OPTICAL FIBER ARRANGEMENT

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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMERBLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH 25 I 386 IZWIRNER · HIRSCH 25 I 386 I.

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Western Electric Company, IncorporatedWestern Electric Company, Incorporated

New York, N. Y., U. S. A. J. A. Arnaud 11New York, N.Y., U.S.A. J.A. Arnaud 11

Optische FaseranordnungOptical fiber assembly

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Faseranordnung zur Übertragung elektromagnetischer Wellenenergie des optischen Spektralbereiches, mit einer einheitlichen Struktur, deren Elemente miteinander verschmolzen und vorzugsweise aus dem gleichen optisch transparenten Material gebildet sind.The invention relates to an optical fiber assembly for transmitting electromagnetic wave energy of the optical Spectral range, with a uniform structure, the elements of which are fused together and preferably from the same optically transparent material are formed.

In den letzten Jahren sind zahlreiche Paser-Wellenleiteranordnungen als Übertragungsmedium für elektromagnetische Wellenenergie im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich, dem sog. optischen Spektralbereich, vorgeschlagenThere have been numerous paser waveguide arrangements in recent years as a transmission medium for electromagnetic wave energy in the infrared, visible and ultraviolet spectral range, the so-called. Optical spectral range, proposed

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worden. Die üblichste dieser Faseranordnungen besteht aus einem zentralen, geringe optische Verluste aufweisenden (dämpfungsarmen) Kern, der von einer gleichfalls dämpfungsarmen Ummantelung eines niedrigeren Brechungsindexes als der des Kernes umgeben ist. Um die gewünschte Brechungsindexbeziehung bereitzustellen, ist das Kernmaterial verschieden vom Ummantelungsmaterial oder hat eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung. Wegen der nicht idealen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Ummantelung und Kern, werden im Regelfall optische Störungen in die vom Kern übertragenen optischen Wellenenergiemoden eingeführt. Diese Störungen geben Anlaß zu zahlreichen Problemen, beispielsweise zu einer unerwünschten Umwandlung der geführten Wellenenergie von einem Mode in einen anderen Mode, was von Energieverlust und Verzerrung begleitet ist. Die unerwünschten Effekte an der Kern/Ummantelung-Grenzfläche begrenzen generell die mit solchen Fasern erreichbaren minimalen Verluste.been. The most common of these fiber arrangements consists of a central, low optical loss (low-attenuation) core, which is covered by an equally low-attenuation cladding with a lower refractive index than the of the core is surrounded. To the desired refractive index relationship To provide, the core material is different from the cladding material or has a different chemical Composition. Because of the non-ideal properties of the interface between the cladding and the core, as a rule optical perturbations in the optical wave energy modes transmitted from the core introduced. These disturbances give rise to numerous problems such as undesirable conversion of guided wave energy from one mode to another, which is accompanied by energy loss and distortion. The unwanted ones Limit effects at the core / clad interface generally the minimum losses that can be achieved with such fibers.

Eine andere allgemein bekannte Faser-Wellenleiteranordnung ist durch einen Brechungsindex charakterisiert, der in Radialrichtung nicht sprunghaft sondern kontinuierlich von der Faserachse aus nach außen hin abnimmt. Die radiale Brechungsindexänderung hat üblicherweise parabolische Gestalt. Eine derartige Faserstruktur hat keine abrupte Grenzfläche wie die Kern-Ummantelung-Faser und vermeidet daher die unerwünschten Grenzflächeneffekte auf die geführte Wellenenergie. Sie erfordert aber eine kontinuierliche (z. B. parabolische) Änderung in der chemischen Zusammensetzung von der Faserachse nach außen hin, um die gewünschte radialeAnother well-known fiber waveguide arrangement is characterized by an index of refraction that is radial does not decrease suddenly but continuously from the fiber axis outwards. The radial refractive index change has usually parabolic in shape. Such a fiber structure does not have an abrupt interface like the core-clad fiber and therefore avoids the undesirable interface effects on the guided Wave energy. However, it requires a continuous (e.g. parabolic) change in the chemical composition outward from the fiber axis to the desired radial

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Brechungsindexänderung zu erzeugen. Es sind daher zur Herstellung derartiger Fasern regelmäßig komplizierte Fabrikationsprozesse erforderlich.To generate refractive index change. Complicated manufacturing processes are therefore regularly required for the production of such fibers necessary.

In der Arbeit von P. Kaiser, E. A. J. Marcatili, und S. E. Miller in Band 52 des Bell System Technical Journal, Seiten 265 bis (Februar 1973) ist eine optische Faseranordnung beschrieben, die aus einem einzigen Material mit gleichförmiger chemischer Zusammensetzung hergestellt werden kann. Diese Fasern weisen einen vergrößerten Zentralteil auf, der durch einen oder mehrere Dünnschicht-Tragglieder mit einem hohlen zylindrischen Außenrohr verbunden ist, wobei sämtliche Bauteile vorzugsweise aus dem gleichen optischen Fasermaterial hergestellt sind. Je nach den relativen Querschnittsgrößen des zentralen vergrößerten Teils und der dünnen Tragglieder in der Faser, kann optische Wellenenergie wirksam auf den zentralen vergrößerten Teil entweder in Einzelmoden- oder in Multimodenform begrenzt und von diesem übertragen werden. Die Vorteile der Einstoff-Fasern liegen unter anderem darin, daß die Notwendigkeit einer Ummantelung niedrigeren Brechungsindexes entfällt und folglich die normalerweise an der Kern/Ummantelung-Grenzfläehe auftretenden optischen Verluste vermieden werden können. Da^überhinaus kann die Einstoff-Faser leicht aus einem vergrößerten Vorformling aus ausgesprochen dämpfungsarmen Materialien wie Quarzglas durch Erhitzen und Ziehen der Faser in Längsachsrichtung hergestellt werden. Die bisher vorgeschlagenen Einstoff-Faseranordnungen haben aber auch Nachteile« Beispielsweise müssen die Dünnschicht-Tragglieder in denIn the work of P. Kaiser, E.A. J. Marcatili, and S. E. Miller in Volume 52 of the Bell System Technical Journal, pages 265 bis (February 1973) an optical fiber assembly is described which can be made from a single material with uniform chemical composition. These fibers have an enlarged Central part, which is supported by one or more thin-layer support members with a hollow cylindrical outer tube is connected, wherein all components are preferably made of the same optical fiber material. Depending on the relative cross-sectional sizes of the central enlarged part and the thin support members in the fiber, can be optical wave energy effectively limited to and from the central enlarged part in either single mode or multimode form be transmitted. The advantages of single-material fibers are, among other things, that the need for sheathing is lower Refractive index is eliminated and consequently the optical losses normally occurring at the core / cladding interface can be avoided. Furthermore, the single-material fiber can easily be extracted from an enlarged preform Low-attenuation materials such as quartz glass can be produced by heating and drawing the fibers in the longitudinal direction. The so far proposed single-material fiber arrangements also have disadvantages « For example, the thin-film support members must be in the

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Fasern signifikant kleineren Querschnitt als der vergrößerte Zentralteil haben, damit der letztere die geführte Wellenenergie wirksam auf sich eingrenzen kann. Die Pasern sind daher empfindlicher als die üblichen Pasern mit Kern und Ummantelung oder mit allmählich abnehmendem Brechungsindex, es besteht daher bei Gebrauch eine erhöhte Bruchgefahr. Außerdem sind diese Fasern von Hause aus Einzelkanal-Vorrichtungen, d. h. es ist praktisch nur ein einziger vergrößerter Zentralteil vorhanden, in dem und längs dem optische Wellenenergie übertragen wird. Es ist deshalb für künftige optische Nachrichtenübertragungssysteme wünschenswert, optische Einstoff-Faseranordnungen zu haben, deren mechanische Festigkeit den üblichen Faseranordnungen entspricht und die zugleich in der Lage sind, optische Wellenenergie in einer Vielzahl unabhängiger optischer Kanäle zu übertragen.Fibers have a significantly smaller cross-section than the enlarged central part, so that the latter carries the wave energy can effectively limit yourself. The pasers are therefore more sensitive than the usual core-and-clad filaments or gradually decreasing refractive index, therefore, it persists in use an increased risk of breakage. In addition, these fibers are inherently single channel devices; H. it's just practical a single enlarged central part present, in which and lengthways to which optical wave energy is transmitted. It is therefore desirable for future optical communication systems, To have optical single-material fiber arrangements whose mechanical strength corresponds to the usual fiber arrangements and which at the same time are able to transmit optical wave energy in a plurality of independent optical channels.

Erfindungsgemäß ist nun der vorstehend skizzierte Problemkreis für eine optische Faseranordnung der einleitend beschriebenen Art dadurch gelöst, daß ein zentrales Faserelement auf seiner Außenfläche mit einem vorspringenden Wulst versehen ist, der die Form einer das Faserelement umschlingenden und in Faserachsrichtung verlaufenden Wendel besitzt, und daß die Querschnittsabmessungen des Wulstes und die Ganghöhe der Wendel für eine durch diese erfolgende Übertragung von optischer Wellenenergie in wenigstens einem Mode bemessen sind.The problem area outlined above is now in accordance with the invention solved for an optical fiber arrangement of the type described in the introduction that a central fiber element on its The outer surface is provided with a protruding bead which has the shape of a fiber element wrapping around and in the direction of the fiber axis has extending helix, and that the cross-sectional dimensions of the bead and the pitch of the helix for a through this transmission of optical wave energy occurring in at least one mode is dimensioned.

Gemäß der Erfindung wird also eine optische Faseranordnung in einheitlicher, integraler Struktur und vorteilhaft aus einem einzigen Material gleichförmiger chemischer Zusammensetzung her-According to the invention, an optical fiber assembly in uniform, integral structure and advantageously made from a single material of uniform chemical composition.

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gestellt und weist einen oder mehrere Wellenleiterkanäle auf, in denen und längs derer optische Wellenenergie übertragen werden kann. Der Zentralteil der Faseranordnung ist ein längsverlaufendes Faserelement mit vergleichsweise großem Querschnitt. Auf seiner Außenfläche besitzt das zentrale Faserelement wenigstens einen wendelförmig verlaufenden Wulst, dessen Querschnittsabmessungen kleiner als die des zentralen Faserelementes sind und der die Form einer das Faserelement umschlingenden sowie in Faserachsrichtung verlaufenden Wendel besitzt. Wenn die Querschnittsabmessungen des Wulstes und die Ganghöhe seines wendeiförmigen Verlaufs längs des Faserelementes richtig gewählt sind, kann optische Wellenenergie in und längs des Wulstes entweder in Einzelmodenform oder in Multimodenform übertragen v/erden, obgleich der Wulst aus dem gleichen Material wie das zentrale Faserelement besteht. In der Faseranordnung können eine Vielzahl solcher Wülste vorgesehen werden, die auf der Außenfläche des Faserelementes unter gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Wenn der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wülsten hinreichend groß ist, kann optische Wellenenergie in jedem dieser Wülste unabhängig von einer Naht übertragen werden, und die optischen Kanäle können in der Faseranordnung effektiv voneinander getrennt werden. Mit hinreichend großen zentralen Faserelementen können optischeand has one or more waveguide channels in which and along which optical wave energy is transmitted can be. The central part of the fiber arrangement is a longitudinal fiber element with a comparatively large cross section. On its outer surface, the central fiber element has at least one helically extending bead, the cross-sectional dimensions of which are smaller than those of the central fiber element and which has the shape of a helix that wraps around the fiber element and runs in the direction of the fiber axis. If the cross-sectional dimensions of the bead and the pitch of its helical Properly chosen along the length of the fiber element, optical wave energy in and along the bead can be either in single mode form or transmitted in multimode form, although the bead is made of the same material as the central fiber element. A plurality of such beads can be provided in the fiber arrangement, which are on the outer surface of the fiber element are arranged at a mutual distance. If the distance between successive beads is sufficiently large, can optical wave energy can be transmitted in each of these beads independently of a seam, and the optical channels can are effectively separated from one another in the fiber array. With sufficiently large central fiber elements, optical

optischen Faseranordnungen mit bis zu 100 getrennten/Kanälen aufgebaut werden.optical fiber assemblies with up to 100 separate / channels will.

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine zweikanalige optische Einstoff-Faseranordnung mit einem im v/esent-According to an embodiment of the invention, a two-channel optical single-material fiber arrangement with an in the v / esent-

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lichen zylindrischen zentralen Paserelement aus Quarzglas hergestellt. Ein Paar Quarzglasstäbe, deren Querschnittsabmessungen kleiner als die des Paserelementes sind, werden an dessen Außenfläche einander diametral gegenüberstehend und derart orientiert angebracht, daß zwei kontinuierliche das Paserelement umschlingende und in Faserachsrichtung verlaufende Wendeln entstehen. Ein Paar Quarzglas-Tragglieder werden gleichfalls an der Außenfläche des Faserelementes an diametral gegenüberliegenden Stellen zwischen den beiden Wendeln angebracht und verlaufen in ähnlicher Weise wendelförmig längs der Paserachse. Die Tragglieder stehen vom Paserelement radial nach außen um einen größeren Betrag vor als jeder Wulst und haben eine Dicke, die hinreichend groß ist, um die erforderliche mechanische Tragfestigkeit zur Halterung des zentralen Faserelementes innerhalb der Faseranordnung sicherzustellen. Die Höhe und Breite jedes Wulstes sowie die Ganghöhe dessen wendeiförmigen Weges längs des Faserelementes sind so ausgewählt, daß eine optische Signalwelle in jeder der beiden Wülste infolge der wellenleitenden Eigenschaften der Anordnung wirksam eingegrenzt werden kann. Die Außenkanten der Tragglieder sind vorteilhaft mit der Innenfläche eines hohlen Quarzglas-Außenzylinders verbunden, der seinerseits mit einer Schicht eines optisch absorbierenden Materials bedeckt ist. Die Tragglieäer dienen sowohl zur Sicherstellung der gewünschten mechanischen Halterung des zentralen Paserelementes in der Faseranordnung, als auch zur Dämpfung von Moden höherer Ordnung, indem die in diesen Moden geführte Schwingungsenergie zur äußeren absorbierenden Schicht abgeleitet wird.Lichen cylindrical central paser element made of quartz glass. A pair of quartz glass rods, the cross-sectional dimensions of which are smaller than those of the paser element, are attached to its outer surface mounted diametrically opposite one another and oriented in such a way that two continuous looping around the paser element and spirals are created that run in the direction of the fiber axis. A pair of quartz glass support members are also attached to the outer surface of the fiber element attached at diametrically opposite points between the two coils and run in a similar manner Way helically along the paser axis. The support members protrude from the paser element radially outward by a greater amount than each bead and have a thickness that is sufficiently large to provide the necessary mechanical strength to hold the ensure central fiber element within the fiber array. The height and width of each bead, as well as the pitch its helical path along the fiber element are selected so that an optical signal wave in each of the two beads can be effectively limited due to the waveguiding properties of the arrangement. The outer edges of the support members are advantageous with the inner surface of a hollow quartz glass outer cylinder connected, which in turn is covered with a layer of an optically absorbing material. The Tragglieäer serve both to ensure the desired mechanical retention of the central Paser element in the fiber arrangement, as well as for damping of higher order modes by diverting the vibrational energy carried in these modes to the outer absorbent layer will.

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Die erfindungsgemäßen "Wendelfaser"-Strukturen können aus Quarzglas-Ausgangsvorformlingen hergestellt werden, deren Querschnitte geometrisch ähnlich aber viel größer als die der schließlich gewünschten Faserstrukturen sind. Der Ausgangsvorformling wird gereinigt, erhitzt und in Längsrichtung gezogen, um die Abmessungen des Ausgangsquerschnittes auf den gewünschten relativ kleinen Endquerschnitt zu reduzieren. Während die Paser gezogen wird und bevor sie vollständig abgekühlt ist, wird sie um ihre Längsachse gedreht oder "gezwirnt", um die gewünschte wendeiförmige Konfiguration zu erhalten.The "helical fiber" structures according to the invention can be produced from quartz glass starting preforms, their cross-sections geometrically similar but much larger than the fiber structures ultimately desired. The starting preform is cleaned, heated and drawn in the longitudinal direction to bring the dimensions of the initial cross-section to the desired to reduce relatively small end cross-section. While the paser is being pulled and before it has completely cooled, it will rotated or "twisted" about its longitudinal axis to obtain the desired helical configuration.

Nachstehend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben; es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht einer zweikanaligen optischen Faseranordnung entsprechend der Erfindung,The invention is illustrated below with reference to the drawing Embodiments described in detail; 1 shows a view of a two-channel optical fiber arrangement according to the invention,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht einer vielkanaligen optischen FaseranordnungFIG. 2 is a sectional view of the arrangement according to FIG. 1, FIG. 3 is a view of a multichannel optical fiber arrangement

entsprechend der Erfindung,
Fig. 4 eine Schnittansicht der Faseranordnung nach Fig. 5, Fig. 5 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen optischen
according to the invention,
FIG. 4 shows a sectional view of the fiber arrangement according to FIG. 5, FIG. 5 shows a sectional view of an optical according to the invention

ab
Faseranordnung mit/gerundeten Oberflächenwülsten,
away
Fiber arrangement with / rounded surface beads,

Fig. 6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten zweikanaligen optischen Faseranordnung mit einem äußeren Schutzrohr und6 is a sectional view of a device designed according to the invention two-channel optical fiber assembly with an outer protective tube and

Fig. 7-10 Schnittansichten der Faseranordnungen nach Fig. 2, 4, 5 und 6 im Ausgangsstadium bei der Herstellung.7-10 sectional views of the fiber arrangements according to FIGS. 2, 4, 5 and 6 in the initial stage of manufacture.

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Fig. 1 und 2 zeigen eine einfache, zweikanalige, optische V/end elf aseranordnung 10. Die Faseranordnung 10 weist ein kreiszylindrisches, transparentes zentrales Faserelement 11 auf, sowie ein Paar an der Oberfläche des Faserelementes wendelförmig verlaufender Wülste 12 und 14. Letztere sind an diametral gegenüberliegenden Stellen an die Außenfläche des Faserelementes 11 angeschmolzen und umschlingen dieses je in Form einer in Richtung der Faserachse 15 verlaufenden Wendel. Vorteilhafterweise sind das Faserelement 11 und die Oberflächenwülste 12 und lh aus demselben optisch transparenten Material hergestellt. V/ie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, sind die Querschnittsabmessungen a und d jedes Wulstes und ist die Ganghöhe oder Steigung ρ des wendeiförmigen Verlaufes jedes Wulstes längs der Faserachse 15 so gewählt, daß jeder Wulst eine optische Signalwelle in einem wendeiförmigen Wellenübertragungsweg längs und um Achse 15 zu führen vermag. (In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß der Ausdruck Wulst, wie er hierin benutzt wird, generell jede mögliche Querschnittsform, insbesondere quadratisch, rechteckig und halbkreisförmig, umfassen soll.) Die dargestellte Faseranordnung 10 hat also zwei getrennte optische Kanäle, die durch die Oberflächenwülste 12 und 14 gebildet sind und in denen Wellenenergie geführt wird, obgleich sie aus demselben optischen Material wie das zentrale Faserelement 11 hergestellt sind. Bei richtiger Wahl der Parameter a, d und ρ für jeden Oberflächenwulst, kann die Übertragung hierin entweder in Einzelmoden- oder in Multimodenform erfolgen. Beispielsweise kann der eine Kanal (Wulst 12) der Faseranordnung 10 zur Übertragung optischer Signalenergie vom in der1 and 2 show a simple, two-channel, optical V / end eleven fiber arrangement 10. The fiber arrangement 10 has a circular cylindrical, transparent central fiber element 11 and a pair of beads 12 and 14 running helically on the surface of the fiber element. The latter are on diametrically opposite points are melted onto the outer surface of the fiber element 11 and wrap around this each in the form of a helix running in the direction of the fiber axis 15. Advantageously, the fiber element 11 and the surface enlargements 12 and lh from the same optically transparent material are made. As will be explained in detail below, the cross-sectional dimensions a and d of each bead and the pitch or pitch ρ of the helical course of each bead along the fiber axis 15 is selected so that each bead carries an optical signal wave in a helical wave transmission path along and around Axis 15 is able to lead. (In this context it should be noted that the term bead as used herein is generally intended to encompass any possible cross-sectional shape, in particular square, rectangular and semicircular.) The illustrated fiber arrangement 10 thus has two separate optical channels passing through the surface beads 12 and 14 and in which wave energy is guided, although they are made of the same optical material as the central fiber element 11. With the correct choice of the parameters a, d and ρ for each surface bead, the transmission here can either take place in single-mode or in multimode form. For example, the one channel (bead 12) of the fiber arrangement 10 for the transmission of optical signal energy from in the

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Figur dargestellten Faserende zum anderen, in großer Entfernung (beispielsweise! km oder mehr) liegenden Faserende benutzt werden, während der andere Kanal (Wulst 14) der Faseranordnung 10 zur Übertragung von optischen Signalwellen in der entgegengesetzten Richtung benutzt wird. Es wurden dann an beiden Enden der Faseranordnung 10 je ein optischer Empfänger und ein optischer Sender vorzusehen sein.The fiber end shown in the figure can be used with the other fiber end located at a great distance (for example! Km or more), while the other channel (bead 14) of the fiber arrangement 10 for the transmission of optical signal waves in the opposite Direction is used. There were then an optical receiver and an optical receiver at both ends of the fiber arrangement 10 Transmitter must be provided.

Allgemein gesprochen wird der Radius r des zentralen Faserelementes 11 der Faseranordnung 10 so gewählt, daß er ein Vielfaches der durch die Wülste 12 und 14 zu übertragenden optischen Wellenenergie beträgt. Vorzugsweise ist der Faserelement-Radius r wenigstens zehnmal so groß wie die Wellenlänge der geführten optischen Energie und liegt üblicherweise im Bereich zwischen etwa dem Fünfzigfachen und dem Tausendfachen der Wellenlänge. Sonach sind die erfindungsgemäß aufgebauten Faseranordnungen relativ groß und deshalb vergleichsweise stabil und leicht zu handhaben.Generally speaking, it becomes the radius r of the central fiber element 11 of the fiber arrangement 10 is chosen so that it is a multiple of the optical wave energy to be transmitted through the beads 12 and 14 amounts to. Preferably, the fiber element radius r is at least ten times the wavelength of the guided optical Energy and is usually in the range between about fifty times and a thousand times the wavelength. So are the fiber arrangements constructed according to the invention are relatively large and therefore comparatively stable and easy to use.

Die Querschnittsbreite a und die Querschnittshöhe d der Oberflächenwülste 12 und lh sind kleiner als der Faserelement-Radius r gewählt, sie sind aber immer noch vorzugsweise erheblich größer als die Wellenlänge der zu übertragenden optischen Energie. Es sei generell bemerkt, daß die V/erte der Querschnittsabmessungen a und d die Anzahl der Moden bestimmt, in denen in jedem Wulst optische Energie übertragen werden kann. Aus den nachstehend beschriebenen Beispielen ergibt sich weiter, daß Einzelrnoden-The cross-sectional width a and the cross-sectional height d of the surface beads 12 and lh are selected to be smaller than the fiber element radius r, but they are still preferably considerably larger than the wavelength of the optical energy to be transmitted. In general, it should be noted that the values of the cross-sectional dimensions a and d determine the number of modes in which optical energy can be transmitted in each bead. The examples described below also show that individual node

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-W--W-

übertragung in den Wülsten 12 und 14 auch dann erreicht werden kann, wenn die Querschnittsabmessungen jedes Wulstes eine Grössenordnung höher liegen als die optische Wellenlänge.Transmission in the beads 12 and 14 can also then be achieved can if the cross-sectional dimensions of each bead are an order of magnitude higher than the optical wavelength.

Wenn die Oberflächenwülste 12 und \K aus demselben optischen Material wie das zentrale Faserelement hergestellt werden, dann müssen sie die wendeiförmige Konfiguration haben, wenn sie die optische Wellenenergie wirksam führen sollen. Einstoff-Wülste, die parallel zur Faserachse 15 verlaufen würden, d.h. die eine unendlich große Ganghöhe und einen Steigungswinkel er von 0° gegenüber der Achse 15 haben, werden keine wirksame Wellenleiter sein, da hierin übertragene Wellenenergie dazu neigt, seitlich in das größere zentrale Faserelement 11 zu entweichen. Eine wirksame optische Wellenleitung tritt jedoch auf, wenn die Einstoff-Wülste unter einem geeigneten Steigungswinkel « (beispielsweise größer als etwa 1 ) zur Faseracnse 15 verlaufen. Theoretisch kann für die optische Wellenleitung die Ganghöhe ρ des wendeiförmigen Verlaufs jedes Wulstes 'jeden Wert größer als null (was einem Steigungswinkel er kleiner als 90 entspricht) bis zum etwa Tausendfachen des Radius r des zentralen Faserelementes 11 annehmen. Vergleichsweise kleine Ganghöhen können zum Erhalt einer optischen Verzögerung für die su übertragende Wellenenergie brauchbar sein. Für Fernübertragung liegt die Ganghöhe ρ vorzugsweise im Bereich vom Eins- bis Tausendfachen des Faserelementradius r.If the surface beads 12 and \ K are made of the same optical material as the central fiber element, then they must have the helical configuration if they are to effectively guide the optical wave energy. Single-material beads which would run parallel to the fiber axis 15, ie which have an infinitely large pitch and a pitch angle er of 0 ° relative to the axis 15, will not be effective waveguides, since wave energy transmitted here tends to laterally into the larger central fiber element 11 to escape. Effective optical waveguide occurs, however, when the single-material beads run at a suitable angle of inclination (for example greater than about 1) to the fiber axis 15. Theoretically, the pitch ρ of the helical course of each bead can assume any value greater than zero (which corresponds to a pitch angle less than 90) up to about a thousand times the radius r of the central fiber element 11 for the optical waveguide. Comparatively small pitches can be useful for obtaining an optical delay for the wave energy transmitted below. For long-distance transmission, the pitch ρ is preferably in the range from one to a thousand times the fiber element radius r.

Die Ubertragungsmoden bei den erfindungsgemäßen WendelfasernThe transmission modes in the helical fibers according to the invention

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sind den "PlUstergallerie"-Moden analog, die erstmalig von Lord Raleigh für Schallwellen beobachtet wurden (s. Band V der Scientific Papers, Seite 6YJ, Dover, Cambridge, England. Wie bei Schallwellen neigen Flüstergallerie-Moden in der Optik dazu, an den konkaven Begrenzungen des Mediums kleben zu bleiben, in dem sie sich fortpflanzen. Bei optisch übertragenden Faseranordnungen sind Plüstergallerie-Moden gekennzeichnet durch Fortpflanzungswege, die in Form von koaxial in der Faser gelegenen Wendeln vorliegen und dicht unterhalb der Faseraußenfläche lokalisiert sind. Die wesentlichen Eigenschaften dieser Moden sind für optische Wellen theoretisch von J. B. Keller und S. E. Rubinow in Band 9 der Annals of Physics, Seiten 24 bis 75 (I960) untersucht worden. Bezüglich des detaillierten mathematischen Modells der Fortpflanzung in Flüstergallerie-Moden sei auf diesen Artikel verwiesen. Für das Verständnis von Prinzip und Aufbau der erfindungsgemäßen Fasernanordnungen sollten die nachstehenden Erwägungen ausreichen.are analogous to the "PlUstergallerie" modes first observed for sound waves by Lord Raleigh (see Volume V of the Scientific Papers, page 6YJ, Dover, Cambridge, England In the case of optically transmitting fiber arrangements, plush gallery modes are characterized by propagation paths that are in the form of coaxially located coils in the fiber and are located just below the outer surface of the fiber. The essential properties of these modes have theoretically been investigated for optical waves by JB Keller and SE Rubinow in Volume 9 of the Annals of Physics, pages 24 to 75 (1960). For the detailed mathematical model of the propagation in whispering gallery modes, reference is made to this article The principle and structure of the fiber arrangements according to the invention should be mentioned below sufficient.

Es sei die Fasernanordnung nach Fig. 1 und. 2 betrachtet, in der ρ die Ganghöhe jedes Wulst-Wellenleiters und r' den Gesamtradius der Faser (r' = r + d) bedeutet. Der lokale Krümmungsradius 9 eines gegebenen Wendelwellenweges in der Faser, gemessen von der zentralen Achse 15 aus, ist gegeben durchLet it be the fiber arrangement according to FIGS. 1 and. 2, where ρ is the pitch of each bead waveguide and r 'is the total radius of the fiber (r '= r + d) means. The local radius of curvature 9 of a given helical wave path in the fiber, measured by the central axis 15 is given by

l + (p/277-r}2] (1)l + (p / 277-r} 2 ] (1)

= r'= r '

Wenn die Ganghöhe ρ wenigstens mehrere Male größer als der Radius r' ist, dann ergibt sichIf the pitch ρ is at least several times larger than the radius r 'then results

• 509840/0841• 509840/0841

ρ = P2ATfV (2)ρ = P 2 ATfV (2)

Unter Verwendung des von Keller a. a. O. gegebenen mathematischen Modells kann gezeigt werden, daß der Abstand t (in radialer Richtung) unterhalb der Faseraußenflache, innerhalb dem die Wellenenergie lokalisiert bleibt, gegeben ist durchUsing the von Keller a. a. O. given mathematical Model it can be shown that the distance t (in the radial direction) below the fiber outer surface, inside which the wave energy remains localized is given by

(2ra+3/2) *"* (2ra + 3/2) * "*

wobei p der Krümmungsradius des Wellenweges entsprechend, der Definition nach Gleichung (l) bedeutet, ferner ra eine ganze Zahl ist, die die Ordnung (in radialer Richtung) des sich in der Faser fortpflanzenden Modes ist (m = 0,1,2...); und. schließlich k die Portpflanzungskonstante der Welle in der Paser bedeutet (k = ~~ mit Λ gleich der optischen Wellenlänge im Fasermedium). Wenn die Faser einen Brechungsindex η besitzt, dann ist die Wellenlänge in der Paser gleich Ao, wobei An die optische Wellenlänge im freien Raum ist.where p is the radius of curvature of the wave path according to the definition according to equation (l), furthermore ra is an integer which is the order (in the radial direction) of the mode propagating in the fiber (m = 0,1,2 .. .); and. finally k means the port planting constant of the wave in the paser (k = ~~ with Λ equal to the optical wavelength in the fiber medium). If the fiber has an index of refraction η then the wavelength in the paser is Ao , where A n is the optical wavelength in free space.

Eine wirksame Führung für den Mode der m-ten Ordnung (und aller Moden niedrigerer Ordnung) in den Oberflächen-Wülsten 12 und I2J-der Faseranordnung 10 erhält man dann, wenn die Cuerschnittshöhe d jedes Wulstes so gewählt wird, daß sie wertmäßig der Größe t für jenen Mode gleicht, wie dieses durch Gleichung (3) bestimmt ist, und wenn die Querschnittsbreite a jedes Wulstes etwa gleich dem Wert von d ist. Die Dimension a braucht nicht exakt gleich der Dimension d zu sein, sondern es reicht für optische Wellenleitung aus, daß a in derselben Größenordnung wie d liegt.Effective guidance for the mode of the m-th order (and all modes of the lower order) in the surface beads 12 and I 2 J of the fiber arrangement 10 is obtained when the cross-sectional height d of each bead is chosen so that it is in terms of value Size t for that mode is the same as determined by equation (3) and when the cross-sectional width a of each bead is approximately equal to the value of d. The dimension a does not have to be exactly the same as the dimension d, but it is sufficient for optical waveguide that a is of the same order of magnitude as d.

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Vorzugsweise liegt der Wert für a zwisehen efrwa dem Einfachen und etwa dem Dreifachen von d.The value for a is preferably between two and about simple and about three times d.

Einen Einzelmodenbetrieb in den OberflächenwUlsten der Faseranordnung 10 erhält man dann, wenn nur der Fundamental-Mode (m = O) übertragen wird. Wenn man annimmt, daß a etwa gleich d ist und wenn man in Gleichung (3) m = O setzt, dann kann die Bedingung für Einzelmoden-Wellenleitung angeschrieben werden mitA single mode operation in the surface ridges of the fiber array 10 is obtained if only the fundamental mode (m = O) is transmitted. If one assumes that a is approximately equal to d and if one sets m = O in equation (3), then the Condition for single-mode waveguide should be written with

2 2 22/5 , (4a) 2 2 22/5 , (4a)

Die Annahme a ~ d «^ t beruht im wesentlichen auf qualitativen Erwägungen. Eine detailliertere Berechnung zeigt, daß der genaue Ausdruck für die Einzelmoden-Bedingung gegeben ist durchThe assumption a ~ d «^ t is essentially based on qualitative ones Considerations. A more detailed calculation shows that the exact expression for the single mode condition is given by

ad a* 0.043 A2(kp)2/5 (4b)ad a * 0.043 A 2 (kp) 2/5 (4b)

Vorausgesetzt, daß der Wert von a nicht wesentlich verschieden ist von dem der Größe d, dann sieht man, da.3 nur das Querschnittsgebiet, gegeben durch ad und nicht die getrennten Größen a und d von Bedeutung sind. Im Einzelmoden-Fall erstrecken sich die Moden höherer Ordnung als der Fuidamental-Hode über die Wülste sowohl azimuthal als auch radial hinaus, sie sind daher nicht durch die Wülste eingegrenzt und werden in der Faser gedämpft. Das Feld des Fundamental-Mode fällt andererseits außerhalb des Wulstes rasch ab und wird nicht gedämpft.Provided that the value of a is not significantly different from that of the quantity d, then one sees that.3 only the cross-sectional area given by ad and not the separate quantities a and d are important. In the single mode case, the modes of a higher order than the fundamental testicle extend over the bulges both azimuthally and radially, so they are not confined by the beads and are attenuated in the fiber. The fundamental mode field, on the other hand, drops rapidly outside the bead and is not attenuated.

Als Erläuterung der vorstehenden Prinzipien sei das nachstehendeThe following is an explanation of the above principles

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spezielle Beispiel betrachtet, in welchem Einzelmoden-Betrieb in der zweikanaligen Einstoff-Faseranordnung 10 nach Fig. 1 und 2 vorgesehen ist. Für das Material des zentralen Faserelementes 11 und der Oberflächenwülste 12 und 14 ist Quarzglas (Brechungsindex η = 1,46) vorgesehen, und die in den Wülsten zu führende Wellenenergie soll eine optische Wellenlänge von etwa einem Mikrometer haben. Das zentrale Faserelement 11 ist mit einem Radius r von 50 Mikrometer versehen, und die Oberflächenwülste 12 und 14 haben je eine Ganghöhe ρ von etwa 7 mm. Aus Gleichung (2) folgt, daß der Krümmungsradius ρ des wendeiförmigen Wellenweges in jedem Wulst etwa 25 mm beträgt. Um Einzelmoden-Betrieb in jedem Wulst 12 und 14 zu erreichen, sind deren Querschnittsabmessungen a und d entsprechend Gleichung (4b) ausgewählt. Demnach wird beim angenommenen Beispiel eine Einzelmoden-Übertragung in jedem der beiden Wellenleiterkanäle der Faseranordnung 10 erzielt, wenn a ^ d ^8,5 Mikrometer ist.Consider a specific example in which single-mode operation is provided in the two-channel single-material fiber arrangement 10 according to FIGS. 1 and 2. Quartz glass (refractive index η = 1.46) is provided for the material of the central fiber element 11 and the surface beads 12 and 14, and the wave energy to be conducted in the beads should have an optical wavelength of approximately one micrometer. The central fiber element 11 is provided with a radius r of 50 micrometers, and the surface beads 12 and 14 each have a pitch ρ of about 7 mm. From equation (2) it follows that the radius of curvature ρ of the helical wave path in each bead is about 25 mm. To achieve single mode operation in each bead 12 and 14, their cross-sectional dimensions a and d are selected according to equation (4b). Accordingly, in the example assumed, a single mode transmission is achieved in each of the two waveguide channels of the fiber arrangement 10 when a ^ d ^ 8.5 micrometers.

Zum Erhalt einer Multimoden-Übertragung in den Oberflächenwülsten 12 und 14 werden die Größen a und d typischerweise so bemessen, daß ihre Werte wenigstens einige Male größer sind als die errechneten Werte für Einzelmodenübertragung. Beispielsweise würden OberflächenwUlste 12 und 14, deren Dimensionen a und d je etwa gleich 50 Mikrometer groß sind, mehrere Moden einer optischen Welle der Wellenlänge von einem Mikrometer führen. Unter Verwendung von Gleichung (.3) können hinreichend genaue Berechnungen für Wulstdimensionen angestellt werden, die sich für Multimoden-Übertragung eignen.To obtain multimode transmission in the surface ridges 12 and 14, the sizes a and d are typically dimensioned so that their values are at least several times greater than the calculated values for single mode transmission. For example surface beads 12 and 14, the dimensions a and d of which are each approximately equal to 50 micrometers, would be several modes of one optical wave with a wavelength of one micrometer. Using equation (.3) can be reasonably accurate Calculations can be made for bead dimensions that are suitable for multimode transmission.

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Die optische Faseranordnung 10 nach Fig. 1 und 2 v/ird vorzugsweise in praktisch derselben Weise wie die optischen Einstoff-Faseranordnungen hergestellt, die in der vorstehend angegebenen Arbeit von P. Kaiser et al in Band 52 von Bell System Technical Journal, Seite 265 (Februar 1973). Zweckmäßig ist es, von optisch polierten Fasersegmenten 5I, 52 und 52J- in der Vorformling-Struktur 50 auszugehen, deren Querschnittsansicht in Fig. 7 dargestellt ist. Typischerweise werden alle diese Segmente aus dem gleichen optischen Material, z. B. aus Quarzglas, hergestellt. Das Vorformling-Segment 5I ist ein im wesentlichen gerader zylindrischer Stab, und die Vorformling-Segmente 52 und 5^ sind gleicherweise im wesentlichen gerade Stäbe mit kleineren und rechteckigen Querschnitten, wobei alle Segmente senkrecht zur Zeichenebene orientiert sind. Um saubere optische Oberflächen zu haben, werden die freiliegenden Oberflächen dieser Segmente zuerst nacheinander mit einer geeigneten Reinigungslösung gereinigt, beispielsweise in einer Lösung von Trichloroäthylen, Aceton und Salpetersäure (1:1 verdünnt mit deionisiertem Wasser) und deionisiertem Wasser. Vorteilhaft bildet der Gesamtquerschnitt der Segmente in der Vorformling-Anordnung 50 (Fig. 7) einen geometrisch ähnlichen, jedoch stark vergrößerten Querschnitt des schließlich gewünschten Querschnitts, der in Fig. 2 dargestellt ist. Nach ihrer Reinigung werden die Vorformling-Segmente 5I» 52 und 5^ auf ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um sie miteinander zu verschmelzen. Während der Erhitzung wird dann dieThe optical fiber assembly 10 of Figures 1 and 2 is preferably made in substantially the same manner as the single material optical fiber assemblies described in the above-referenced paper by P. Kaiser et al in Volume 52 of Bell System Technical Journal, page 265 ( February 1973). It is expedient to start from optically polished fiber segments 5I, 52 and 5 2 J- in the preform structure 50, the cross-sectional view of which is shown in FIG. Typically, all of these segments are made from the same optical material, e.g. B. made of quartz glass. The preform segment 5I is a substantially straight cylindrical rod, and the preform segments 52 and 5 ^ are similarly substantially straight rods with smaller and rectangular cross-sections, all segments being oriented perpendicular to the plane of the drawing. In order to have clean optical surfaces, the exposed surfaces of these segments are first cleaned one after the other with a suitable cleaning solution, for example in a solution of trichlorethylene, acetone and nitric acid (diluted 1: 1 with deionized water) and deionized water. The overall cross-section of the segments in the preform arrangement 50 (FIG. 7) advantageously forms a geometrically similar, but greatly enlarged, cross-section of the ultimately desired cross-section, which is shown in FIG. 2. After they have been cleaned, the preform segments 5I »52 and 5 ^ are heated to a sufficiently high temperature to fuse them together. During the heating, the

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Vorformling-Anordnung in Richtung der Längsachse zur Querschnittsreduktion auf den schließlich für die optische Faseranordnung gewünschten Wert gezogen. Während des Ziehvorganges und vor vollständiger Abkühlung der Paser wird sie um ihre Längsachse mit geeigneter Geschwindigkeit gedreht oder verdreht, um die gewünschte wendeiförmige Oberflächen-Konfiguration zu erreichen. Wenn beispielsweise eine Ganghöhe von etwa 7 mm für jeden Wulst-Wellenleiter gewünscht ist, wird die Faseranordnung gleichmäßig um volle 3βΟ um ihre Längsachse pro 7 mm gezogener Faserlänge gedreht, d. h. die Faser wird um etwa 51° pro mm gezogener Faser gedreht. Es sei bemerkt, daß dieser schließliche Verdrehungsschritt nicht bei der Herstellung der Einstoff-Fasern nach P. Kaiser et al, verwendet wird, sondern nur bei den Faseranordnungen gemäß der Erfindung wegen der hier vorgesehenen Wendelkonfiguration. Es sei auch bemerkt, daS Fig. 7 nicht eine maßstabsgerechte Vergrößerung der Fig. 2 ist, sondern daß normalerweise die Vorform-Anordnung 50 einen vielfach größeren Querschnitt als die resultierende schließliche Faseranordnung 10 besitzt.Preform arrangement in the direction of the longitudinal axis to reduce cross-section to that of the optical fiber arrangement desired value drawn. During the drawing process and before the Paser has completely cooled down, it will move along its longitudinal axis rotated or twisted at the appropriate speed to achieve the desired helical surface configuration. For example, if a pitch of about 7 mm is desired for each bead waveguide, the fiber arrangement will be uniform by a full 3βΟ around its longitudinal axis per 7 mm drawn fiber length rotated, d. H. the fiber is rotated about 51 ° per mm of drawn fiber. It should be noted that this final twisting step does not occur in the manufacture of the single-fabric fibers according to P. Kaiser et al, but only for the fiber arrangements according to the invention because of the helical configuration provided here. It should also be noted that FIG. 7 is not to scale Is enlargement of Fig. 2, but that normally the preform assembly 50 has a much larger cross-section than the resulting final fiber assembly 10.

Fig. 3 und 4 zeigen eine Längsansicht bzw. eine Schnittansicht einer optischen vielkanaligen Einstoff-Faseranordnung 20 in erfindungsgemäßer Ausbildung. Im einzelnen sind bei der Faseranordnung 8 getrennte Wülste 22.1 bis 22.8 vorgesehen, die auf der Außenfläche eines zentralen Faserelementes 11 verteilt angeordnet sind, um acht voneinander im Abstand liegende wendeiförmige optische Kanäle zu bilden. Wie bei der einfachen zweikanaligen Faseranordnung 10 der Fig. 1 und 2 kann jeder der Oberflächen-Figs. 3 and 4 show a longitudinal view and a sectional view, respectively an optical multi-channel single-material fiber arrangement 20 in accordance with the invention Education. In detail, the fiber arrangement 8 separate beads 22.1 to 22.8 are provided on the Outer surface of a central fiber element 11 are arranged distributed to eight spaced apart helical to form optical channels. As with the simple two-channel fiber array 10 of Figs. 1 and 2, each of the surface

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Wülste der Faseranordnung 20 bezüglich seiner Ganghöhe ρ und bezüglich seiner Querschnittsabmessungen a und d so bemessen sein, daß er Wellenenergie entweder im Einzelmoden- oder Hultimoden-Betrieb überträgt. Zusätzlich kann die Übertragung in jedem der Oberflächenwülste unabhängig von der Übertragung in benachbarten Wulsten erfolgen, (d. h. die Vie-shselwirkung zwischen den abklingend aus benachbarten Kanälen austretenden Feldern kann vernachlässigbar gemacht werden), wenn sie un einen hinreichend großen Abstand c auf der Oberfläche des Faserelementes 21 voneinander getrennt sind. Um unabhängige Übertragung in jedem Kanal der Faseranordnung 20 sicherzustellen, sollte der Abstand c zwischen benachbarten Wulsten wenigstens doppelt so groß sein, wie die Querschnittsbreite a jedes Wulstes (d. λ* c > 2a). Diese Bedingung kann bei den erfindungsgemäßen Faseranordnungen leicht erfüllt werden, da sie relativ großen Gesamtcuerschnitt haben.Bulges of the fiber arrangement 20 so dimensioned with respect to its pitch ρ and with respect to its cross-sectional dimensions a and d be that it has wave energy in either single mode or hultimode operation transmits. In addition, the transfer in each of the surface ridges can be independent of the transfer in adjacent beads take place (i.e. the fields emerging from neighboring channels in a decaying manner can be made negligible) if they are sufficient large distance c on the surface of the fiber element 21 from each other are separated. To ensure independent transmission in each channel of the fiber array 20, the distance c between adjacent beads must be at least twice as large as the cross-sectional width a of each bead (d. λ * c> 2a). This condition can easily be met with the fiber arrangements according to the invention, since they have a relatively large overall cross section.

Wenn beisDielsweise das zentrale Faserelement 21 einen Radius r von etwa 1 mm besitzt, dann ist sein Umfang (2vv) gleich etwa 63ΟΟ Mikrometer. Nimmt man an, daß die acht Tollste 22.1 bis 22.8 gleichmäßig auf dem Faserelement 21 verteilt sind und jeder Wulst eine Querschnittsbreite von etwa 100 Mikrometer besitzt (Multimoden-V/ülste), dann würde der Abstand zwischen je zwei benachbarten Wülsten größer als 6OO Mikrometer sein. Man sieht daher, daß optische Faseranordnungen nach Art der Faseranordnung 20 mit vielen unabhängigen optischen Kanälen hergestellt werden können; sie sind daher analog den Koaxialkabelanordnungen derFor example, if the central fiber element 21 has a radius r of about 1 mm, then its circumference (2vv) is about 63ΟΟ micrometers. Assuming that the eight greatest 22.1 to 22.8 are evenly distributed on the fiber element 21 and that each bead has a cross-sectional width of about 100 micrometers (multimode V / ulste), then the distance between any two adjacent beads would be greater than 600 micrometers . It will therefore be seen that fiber array optical fiber assemblies 20 can be made with many independent optical channels; they are therefore analogous to the coaxial cable assemblies of

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üblichen niederer frequenten Ubertragungssysteme. Mit einem Radius von einem Millimeter für das zentrale Faserelement 21 könnten beispielsweise 100 getrennte Oberflächenwülste mit Querschnittsabmessungen a und d von je etwa 20 Mikrometer in der Faseranordnung untergebracht werden, wobei dann der Abstand c zwischen benachbarten Wülsten immer noch großer als 2a, d.h. größer als 40 Mikrometer, sein würde. Zentralfaserelemente mit noch größeren Radien würden die Verwendung einer entsprechend größeren Zahl von Wulst-Wellenleitern und/oder Wulst-Wellenleitern mit größeren- Querschnitten erlauben.usual lower frequency transmission systems. With a A radius of one millimeter for the central fiber element 21 could, for example, have 100 separate surface beads Cross-sectional dimensions a and d of about 20 micrometers each are accommodated in the fiber array, with the distance then c between adjacent beads would still be larger than 2a, i.e. larger than 40 micrometers. Central fiber elements with even larger radii would be the use of a correspondingly larger number of bead waveguides and / or bead waveguides with larger cross-sections.

Zur Herstellung der Faseranordnung 20 nach Fig. 3 und 4 würde man beispielsweise mit der Vorformling-Anordnung 60 nach Fig. beginnen. Die Vorformling-Anordnung βθ ist oraktisch identisch mit der Vorformling-Anordnung 50 nach Fig. Y, außer daß die Anordnung 60 ein Zentralsegment Gl und acht im Abstand voneinander liegende Segmente 62.1 bis 62.8 besitzt. Die Herstellung würde in derselben Weise,wie oben in Verbindung mit der Vorformling-Anordnung 50 erläutert wurde, erfolgen. Wiederum sei bemerkt, daß der Querschnitt der Vorformling-Anordnung 60 geometrisch ähnlich, aber viele Male größer als der Querschnitt der gewünschten Faseranordnung 20 nach Fig. 4 ist. Der Querschnitt der Wulstwellenleiter in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung braucht nicht rechteckig zu sein, es können auch andere Konturen verwendet werden, die vom optischen Gesichtspunkt her gesehen gleichermaßen akzeptabel sind. Fig. 5 zeigt in Schnitt-To produce the fiber arrangement 20 according to FIGS. 3 and 4, one would, for example, start with the preform arrangement 60 according to FIG. The preform assembly is βθ oraktisch identical to the preform assembly 50 of FIG. Y, except that the assembly 60 has a central segment Gl and eight spaced-apart segments 62.1 to 62.8. Manufacture would be in the same manner as discussed above in connection with preform assembly 50. Again, it should be noted that the cross section of the preform assembly 60 is geometrically similar, but many times larger than the cross section of the desired fiber assembly 20 of FIG. The cross-section of the bead waveguides in the various embodiments of the invention need not be rectangular; other contours can be used which are equally acceptable from an optical point of view. Fig. 5 shows in section

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ansieht eine Ausführungsform mit abgerundeten Wellenleiter-Wülsten. Die optische Faseranordnung 30 nach Pig. 5 weist ein zentrales Fasereiement 31 und zwei getrennte Oberflächenwülste 32 und 34 auf, die einander gegenüberstehend an der Außenfläche des Faserelementes 31 angeschmolzen sind und die in Achsrichtung des Faserelementes 31 wendelförmig verlaufen. Die Wülste 32 und 3^ haben eine im wesentlichen halbkreisförmige Gestalt, bei der die Querschnittsbreite a etwa gleich dem Doppelten der Querschnittshöhe d ist. Die gewünschte Anzahl der in den Wülsten und Ja zu übertragenden Moden wird dadurch festgelegt, daß die Querschnittshöhe d jedes Wulstes etwa gleich t entsprechend obiger Gleichung (3) gemacht wird. Die Faseranordnung 30 ist ansonsten mit der Faseranordnung 10 nach Fig. 1 und 2 identisch, außer daß die Querschnittsform der Wülste 32 und 34 anders ist.views an embodiment with rounded waveguide beads. The Pig optical fiber assembly 30. 5 has a central fiber element 31 and two separate surface beads 32 and 34 which are fused opposite one another on the outer surface of the fiber element 31 and which run helically in the axial direction of the fiber element 31. The beads 32 and 3 ^ have a substantially semicircular shape, in which the cross-sectional width a is approximately equal to twice the cross-sectional height d. The desired number of modes to be transmitted in the beads and Ja is determined by making the cross-sectional height d of each bead approximately equal to t in accordance with equation (3) above. The fiber arrangement 30 is otherwise identical to the fiber arrangement 10 of FIGS. 1 and 2, except that the cross-sectional shape of the beads 32 and 34 is different.

Fig. 9 zeigt eine Vorformling-Anordnung 70 in Querschnittsansicht, die bei der Herstellung der Faseranordnung 3$ verwendet werden kann. Statt rechteckiger Wulstsegmente hat die Vorformling-Anordnung 70 zwei zylindrisch geformte Wulstsegmente 72 und 74, die an das größere zylindrische Segment 71 anzuschmelzen sind. Die Herstellung der Faseranordnung 30 auf der Vorformling-Anordnung 70 kann in der vorstehend beschriebenen Weise erfolgen.9 shows a preform arrangement 70 in cross-sectional view. which are used in the manufacture of the fiber array $ 3 can. Instead of rectangular bead segments, the preform has an arrangement 70 two cylindrically shaped bead segments 72 and 74, which are to be melted to the larger cylindrical segment 71. The manufacture of the fiber array 30 on the preform array 70 can be done in the manner described above.

Für viele praktische Anwendungsfälle ist es gewünscht, daß die für die Übertragung optischer Signalwellen benutzte Faseranordnung in einem äußeren Schutzmantel untergebracht ist, der unter anderemFor many practical applications it is desired that the fiber array used for the transmission of optical signal waves is housed in an outer protective sheath, which, among other things

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die lichtleitenden Zonen der Faseranordnung vor Störungen infolge Anfassens oder anderer Umweltseinflüsse schützt. Eine solche Art schutzummantelte oder verkapselte Faseranordnung ist in Querschnittsansicht in Fig. 6 dargestellt. Wie die Faseranordnung 30 nach Fig. 5 weist die Faseranordnung 40 in Fig. 6 ein vergrößertes zentrales Faserelement 4l und. zwei getrennte OberflächenwUlste 42 und 44 auf, die diametral einander gegenüberstehend an die Außenfläche des Faserelementes 41 angeschmolzen sind und längs der Faserachse wendelförmig verlaufen. Jeder der Wülste 42 und 44 ist entsprechend den obigen Überlegungen entworfen, um optische Signalwellen übertragen zu können. Ein Paar Tragglieder 43 und. 45 sind gleichfalls an die Außenfläche des Faserelementes 41 an einander diametral gegenüberliegenden Stellen zwischen den Oberflächenwülsten 42 und 44 angeschmolzen und. verlaufen ähnlicherweise wendelförmig längs der Faserachse. Die Tragglieder 43 und 45 erstrecken sich vom Faserelement 41 nach außen um einen größeren Betrag als jeder der Wülste 42 und 44, und sie haben eine Dicke, die hinreichend groß ist, um die erforderliche mechanische Festigkeit für die Halterung des Faserelementes 4l in der Faseranordnung sicherzustellen. Die Außenkanten der Tragglieder 43 und 45 sind an die Innenfläche eines hohlen Außenzylinders 46 angeschmolzen, der seinerseits mit einer Schicht aus optisch absorbierendem Material 48 beschichtet ist. Vorteilhaft sind Faserelement 41, Wülste 42 und 44, Tragglieder 43 und 45 sowie Außenzylinder 46 sämtlich aus demselben optischen Material, beispielsweise aus Quarzglas, hergestellt.protects the light-guiding zones of the fiber arrangement from disturbances due to touching or other environmental influences. One such type of protective sheathed or encapsulated fiber array is shown in cross-sectional view in FIG. Like the fiber arrangement 30 according to FIG. 5, the fiber arrangement 40 in FIG. 6 has an enlarged central fiber element 4l and. two separate surface ridges 42 and 44 which are diametrically opposed to each other are fused to the outer surface of the fiber element 41 and extend helically along the fiber axis. Everyone who Ridges 42 and 44 are designed in accordance with the above considerations in order to be able to transmit optical signal waves. A couple Support members 43 and. 45 are also attached to the outer surface of the Fiber element 41 melted at diametrically opposite points between the surface beads 42 and 44 and. get lost similarly helical along the fiber axis. The support members 43 and 45 extend from the fiber element 41 to outside by a greater amount than either of the beads 42 and 44, and they are of a thickness sufficient to provide that required ensure mechanical strength for holding the fiber element 4l in the fiber array. The outer edges the support members 43 and 45 are attached to the inner surface of a fused hollow outer cylinder 46, which in turn is coated with a layer of optically absorbing material 48. Fiber element 41, beads 42 and 44, support members 43 and 45 and outer cylinder 46, all of the same optical structure, are advantageous Material, for example made of quartz glass.

Die Dicke b der Tragglieder 43 und 45 in Fig. 6 wird typischerweise so gewählt, daß sie wesentlich größer ist als die übertra-The thickness b of the support members 43 and 45 in Fig. 6 is typically chosen so that it is significantly larger than the transmitted

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gene optische Wellenlänge, um die gewünschte mechanische Halterung für das Faserelement 41 bereitzustellen. Es sei bemerkt, daß im Gegensatz zu den Dünnschicht-Traggliedern, die bei den Einstoff-Pasern nach P. Kaiser et al a. a. O. vorgesehen sind, brauchen die Tragglieder 4j5 und 45 nicht kleineren Querschnitt als die eigentlichen V/ellenleiterzonen der Faseranordnung 40 (d. h. die Wülste 42 und 44) zu haben. Außerdem erstrecken sich die Tragglieder 4;5 und 45 von der Außenfläche des Faserelementes 41 um einen Betrag radial nach außen, der wenigstens um eine Größenordnung größer ist, als die Wellenlänge, um hinreichenden Abstand in dem durch das Faserelement 41 und die Innenfläche des Außenzylinders 46 definierten Hohlraum zu haben. Ein derartiger Hohlraum würde typischerweise von Luft (Brechungsindex etwa gleich eins)eingenommen. Wenn beispielsweise die Querschnittshöhe d der Wülste 42 und 44 etwa 20 Mikrometer beträgt und wenn die zu übertragende optische Wellenlänge etwa ein Mikrometer ist, dann wurden die Trar-glieder ^5 und 45 eine Dicke b von wenigstens J>0 Mikrometer haben vnd sich vom Faserelement 41 um wenigstens 60 Mikrometer radial nach außen erstrecken. Selbstverständlich wurden, wenn Wülste mit größeren Querschnitten verwendet werden, die Tragglieder 43 und 45 entsprechend größere Querschnittsabmessungen haben.gene optical wavelength to provide the desired mechanical support for the fiber element 41. It should be noted that, in contrast to the thin-layer support members which are provided in the single-material pasers according to P. Kaiser et al. ie to have the beads 42 and 44). In addition, the support members 4; 5 and 45 extend radially outward from the outer surface of the fiber element 41 by an amount which is at least one order of magnitude greater than the wavelength, by a sufficient distance in that through the fiber element 41 and the inner surface of the outer cylinder 46 to have defined cavity. Such a cavity would typically be occupied by air (refractive index approximately equal to one). For example, if the cross-sectional height d of the beads 42 and 44 is about 20 micrometers and if the optical wavelength to be transmitted is about one micrometer, then the Trar members ^ 5 and 45 would have a thickness b of at least J> 0 micrometers and away from the fiber element 41 extend radially outward by at least 60 micrometers. Of course, if beads with larger cross-sections are used, the support members 43 and 45 would have correspondingly larger cross-sectional dimensions.

Zusätzlich zu ihrer mechanischen Unterstützung des zentralen Faserelementes 41 in der Faseranordnung 40 dienen die Tragglieder 43 und 45 noch einem v/eiteren nützlichen Zweck. Wie oben erwähnt, neigen Moden höherer Ordnung als jene,für deren Übertragung dieIn addition to their mechanical support of the central fiber element 41 in the fiber arrangement 40, the support members serve 43 and 45 have another useful purpose. As mentioned above, tend to be higher order modes than those for whose transmission the

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Wülste 42 und 44 entworfen sind, dazu, sich sowohl in azimuthaler als auch radialer Richtung über und oberhalb der Wülste in der Faseranordnung hinauszuerstrecken, d. h. diese Moden werden nicht durch'die Wülste begrenzt. Die Tragglieder 4j und 45 sind daher ein brauchbares Mittel zum Abführen von in diesen unerwünschten Moden höherer Ordnung schwingender Energie nach außen zum Außenzylinder 46, wo diese Energie rasch von der optisch absorbierenden Schicht 48 absorbiert wird, so daß die Übertragung von Energie in den ausgewählten Moden nicht nennenswert beeinträchtigt wird.Beads 42 and 44 are designed to be in both azimuth as well as extending radially above and above the beads in the fiber array, d. H. these fashions will not limited by the bulges. The support members 4j and 45 are therefore a useful means of dissipating energy oscillating in these undesirable higher order modes out to the outer cylinder 46, where this energy is rapidly absorbed by the optically Layer 48 is absorbed so that the transmission of energy in the selected modes is not significantly impaired.

Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorformling-Anordnung 80, die sich zur Herstellung von Faseranordnungen ähnlich der Faseranordnung 40 nach Fig. 6 eignet. Die den Elementen der Faseranordnung 40 nach Fig. 6 entsprechenden Segmente der Vorformling-Anordnung 80 sind in Fig. 10 mit um die Zahl 40 höheren Bezugsziffern versehen worden. Nachdem die Faseranordnung 40 aus der Vorformling-Anordnung 80 in der oben beschriebenen V/eise hergestellt worden ist, wird das Ganze nach üblichen Methoden mit einer Schicht aus optisch absorbierendem Material, beispielsweise mit Methylmethacrylat, beschichtet.Figure 10 shows a cross-sectional view of a preform assembly 80, which is suitable for producing fiber arrangements similar to the fiber arrangement 40 according to FIG. 6. The elements of the fiber assembly 40 of FIG. 6 corresponding segments of the preform arrangement 80 have been provided with reference numbers 40 higher in FIG. After the fiber assembly 40 from the Preform assembly 80 has been produced in the manner described above, the whole is made by conventional methods a layer of optically absorbing material, for example with methyl methacrylate, coated.

Zahlreiche Abwandlungen sind möglich. So kann, obgleich die dargestellten Ausführungsbeispiele sämtlich zwei oder mehr wendelförmige Oberflachenvmlste haben, eine Faseranordnung auch nur eine einzige wendeiförmige Oberflächenvjulst besitsen, in der und längs der optische Wellenenergie zu übertragen is*. Eine derartige einkanalige Faseranordnung kann speziell als optischeNumerous modifications are possible. So can, although the ones shown Embodiments all have two or more helical surface ridges, and only one fiber arrangement possess only helical surface bulges, in and lengthways of the optical wave energy to be transmitted is *. Such a one Single-channel fiber array can specifically be called optical

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leitung für die übertragene Wellenenergie brauchbar sein. Außer Quarzglas können zahlreiche andere optisch transparente Materialien für die einzelnen Elemente der Faseranordnungen verwendet werden. Obgleich diese Elemente von vorzugsweise aus demselben optischen Material bestehen, brauchen sie dieses nicht, solange sie in der beschriebenen Weise miteinander verschmolzen werden können. Die für die Herstellung der Faseranordnungen speziell beschriebene Methode ist nicht die einzige, es kann auch nach anderen Methoden gearbeitet werden. Des weiteren sind die für die einzelnen Elemente der vorstehenden Faseranordnungen lediglich im erläuternden nicht aber im beschränkenden Sinn aufzufassen. Die optimale Wahl der Parameter für jeden speziellen Anwendungsfall läßt sich ohne Schwierigkeiten am besten experimentell ermitteln. line for the transmitted wave energy. In addition to quartz glass, numerous other optically transparent materials can be used can be used for the individual elements of the fiber arrangements. Although these elements are preferably composed of the same optical material, they do not need it for as long they can be fused together in the manner described. The special ones for the production of the fiber arrangements The method described is not the only one; other methods can also be used. Furthermore, they are for the individual elements of the above fiber arrangements are to be understood only in an illustrative but not in a restrictive sense. The optimal choice of parameters for every special application can best be determined experimentally without difficulty.

Des weiteren könnte, obgleich nicht bevorzugt, die gesamte freiliegende Oberfläche der Faseranordnungen 10, 20 und JO mit einer Schicht aus einem Material niedrigeren Brechungsindexes belegt sein, um geeigneten Schutz für die Faseranordnung zu haben. Weiterhin kann zum Erhalt einer optischen Wechselwirkung zwischen den übertragenen Moden ein geeignet optisch nicht lineares Material in Kontakt mit den Wellenenergie führenden Zonen längs ausgewählter Längenbereiche der Faser angeordnet werden. Beispielsweise kann in der Faseranordnung 40 nach Fig. 6 ein ausgewählter Teil des Hohlraums zwischen Faserelement 41 und. Außenzylinder 46 · mit einem optischen nichtlinearen Material ausgefüllt werden,Furthermore, although not preferred, all of the exposed Surface of the fiber assemblies 10, 20 and JO with a Layer of a material of lower refractive index must be coated in order to have suitable protection for the fiber arrangement. Furthermore, a suitable optically non-linear material can be used to obtain an optical interaction between the transmitted modes in contact with the wave energy carrying zones along selected lengths of the fiber. For example In the fiber arrangement 40 according to FIG. 6, a selected part of the cavity between fiber element 41 and. Outer cylinder 46 be filled with an optical nonlinear material,

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beispielsweise mit Rhodamin 6G in Wasser oder Methanol, Äthylalkohol, Chlorobenzol oder Schwefelkohlenstoff. Optische Verstärkung, optische Frequenzmischung und andere optische Wechselwirkungen würden daher bequem in den Fasern vorgesehen werden können.for example with rhodamine 6G in water or methanol, ethyl alcohol, Chlorobenzene or carbon disulfide. Optical amplification, optical frequency mixing and other optical interactions would therefore be convenient to incorporate into the fibers.

Schließlich könnte auch ein optisches Kabel, das viele ähnliche erfindungsgemäße Faseranordnungen enthält, dadurch hergestellt werden, daß diese Fasern in einer einzigen peripheren Anordnung geeigneter Größe und geeigneten Querschnittes untergebracht werden. Das Kabel würde dann geeignete Mittel zur unverrückbaren Halterung der einzelnen Fasern innerhalb des Kabels aufweisen.Finally, there could also be an optical cable that many similar contains fiber assemblies according to the invention are produced by having these fibers in a single peripheral assembly suitable size and suitable cross-section. The cable would then be a suitable means of immovable retention of the individual fibers within the cable.

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Claims (3)

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN XS Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadeckestraSe 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212 313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 PatentansiorücheBLUMBACH WESER BERGEN KRAMER ZWIRNER HIRSCH PATENTANWÄLTE IN MUNICH AND WIESBADEN XS Postal address Munich: Patentconsult 8 Munich 60 RadeckestraSe 43 Telephone (089) 883603/883604 Telex 05-212 313 Postal address Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Strasse 43) Telephone (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 patent response 1./Optische Faseranordnung zur Übertragung elektromagnetischer Wellenenergie des optischen Spektralbereiches mit einer einheitlichen Struktur, deren Elemente miteinander verschmolzen und vorzugsweise aus dem gleichen optisch transparenten Material gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentrales Faserelement (11) mit einem vorspringenden Wulst (12) versehen ist, der die Form einer das Faserelement umschlingenden und in Faserachsrichtung verlaufenden Wendel besitzt, und daß die Querschnittsabmessungen (a, d) des Wulstes und die Ganghöhe der Wendel (p) für eine durch diese erfolgende Übertragung von optischer Wellenenergie in wenigstens einem Mode bemessen sind.1./Optical fiber arrangement for the transmission of electromagnetic Wave energy of the optical spectral range with a uniform structure, the elements of which are fused together and are preferably formed from the same optically transparent material, characterized in that a central fiber element (11) is provided with a protruding bead (12) which has the shape of a fiber element wrapping around it and has helix extending in the direction of the fiber axis, and that the cross-sectional dimensions (a, d) of the Bead and the pitch of the helix (p) for a transmission of optical wave energy occurring through this are sized in at least one fashion. 2. Optische Faseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserelement einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt eines Radius r aufweist, der wenigstens um eine Größenordnung größer ist, als die Wellenlänge der durch den Wulst zu übertragenden optischen Energie ist, und daß die Ganghöhe ρ des wendeiförmigen Wulstes (12) das Eins- bis Tausendfache des Faserradius beträgt.2. Optical fiber arrangement according to claim 1, characterized in that that the fiber element has a substantially circular cross-section of a radius r which is at least one Is order of magnitude greater than the wavelength of the optical energy to be transmitted through the bead, and that the The pitch ρ of the helical bead (12) is one to a thousand times the fiber radius. 509840/0841509840/0841 j>. Optische Faseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wulst (12) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen Höhe d, gemessen von der Faseraußenfläche aus, dem V/er te nach größer als die V/ellenlänge der durch den Wulst zu übertragenden optischen Wellenenergie ist, und dessen Breite a das Eins- bis Dreifache der Höhe d ist. j>. Optical fiber arrangement according to Claim 1, characterized in that the bead (12) has an essentially rectangular cross-section, the height d of which, measured from the fiber outer surface, is vertically greater than the wavelength to be transmitted through the bead optical wave energy, and its width a is one to three times the height d. 4. Optische Faseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitts-Breite a des Wulstes (12) etwa gleich der Querschnitts-Höhe d ist und daß a und d so gewählt sind, daß die Beziehung4. Optical fiber arrangement according to claim 1, characterized in that that the cross-sectional width a of the bead (12) is approximately equal to the cross-sectional height d and that a and d are chosen so are that relationship ad = 0.043A2(kp)2/;3 ad = 0.043A 2 (kp) 2 /; 3 angenähert erfüllt ist, wobei A die optische Wellenlänge der durch den Wulst zu übertragenden Wellenenergie ist, ferner k gleich 27r/A , und ρ gegeben ist durchis approximately fulfilled, where A is the optical wavelength of wave energy to be transmitted through the bead, further k is equal to 27r / A, and ρ is given by ρ = r [l+(p/27rr)2J ,ρ = r [l + (p / 27rr) 2 J, worin r den Radius des Faserelerrentes (11) bedeutet, wodurch Wellenenergie nur in einem einzelnen Mode in dem Wulst übertragen wird.where r is the radius of the fiber element (11), whereby Wave energy is only transmitted in a single mode in the bead. 5. Optische Faseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wülste (12, 14) unter gegenseitigem Abstand auf der Außenfläche der Faseranordnung wendelförmig verlaufen, wobei der Abstand c zwischen zwei benachbarten Wulsten wenigstens doppelt so groß ist, wie die Querschnitts-Breite a eines jeden Wulstes.5. Optical fiber arrangement according to claim 1, characterized in that that several beads (12, 14) run helically at a mutual distance on the outer surface of the fiber arrangement, wherein the distance c between two adjacent beads is at least twice as large as the cross-sectional width a of one every bead. 509840/0841509840/0841 6. Optische Faseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei wendeiförmige Tragglieder (4j, 45) an zwischen den wendelförmigen Wülsten (12, 14) an die Außenfläche des Faserelementes angeschmolzen sind, daß die Tragglieder von der Außenfläche des Faserelementes radial nach außen um einen Abstand vorstehen, der größer ist als die Höhe eines jeden Wulstes, daß die Außenkanten der Tragglieder an die Innenfläche einer hohlen Außenummantelung (46) angeschmolzen sind, wobei die Außenummantelung aus einem Material besteht, das für die in den Wülsten zu übertragende optische Wellenenergie transparent ist, wodurch ein Hohlraum in der Faseranordnung zwischen der Außenfläche des zentralen Faserelementes und der Innenfläche der hohlen Außenummantelung gebildet ist.6. Optical fiber arrangement according to claim 5, characterized in that that at least two helical support members (4j, 45) on between the helical beads (12, 14) are fused to the outer surface of the fiber element that the support members from the outer surface of the fiber element protrude radially outward by a distance which is greater than the height of each bead that the outer edges the support members are fused to the inner surface of a hollow outer casing (46), the outer casing consists of a material that is transparent to the optical wave energy to be transmitted in the beads, thereby creating a void in the fiber array between the outer surface of the central fiber element and the inner surface the hollow outer jacket is formed. 7« Optische Faser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserelement (11), die wendeiförmigen Wülste (12, 14), die Tragglieder (4^, 45) und die hohle Außenummantelung (46) sämtlich aus demselben optisch transparenten Material hergestellt sind.7 «Optical fiber according to claim 6, characterized in that that the fiber element (11), the helical beads (12, 14), the support members (4 ^, 45) and the hollow outer casing (46) are all made of the same optically transparent material. 509840/0841509840/0841 3.23.2 LeerseiteBlank page
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