DE2521659A1

DE2521659A1 - Optisches uebertragungselement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2521659A1
Application number: DE19752521659
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Oestreich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-05-13
Filing date: 1975-05-13
Publication date: 1976-12-02

Description

Optisches trbertragungselement und Verfahren zu seiner Herstellung Ein optisches übertragungselement kann aus einer einzelnen aus Kern und Mantel aufgebauten Faser bestehen oder aber aus einem ganzen Bündel derartiger Fasern. Das Material des Mantels besitzt dabei stets einen kleineren Brechungsindex als das des Kerns.
Das in den Kern eingekoppelte Licht wird an der Grenzfläche Kern / Mantel durch Totalrellektion in den Kern zurückreflektiert. Das Licht durchläuft daher die Faser optisch geometrisch gesehen in Weiidelform. Bei hoher geforderter 0oertragungsgüte hat der Kern der einzelnen Fasern nur einen Durchmesser von einigen Wn. Daher kann sich in ihm nur eine Mode des Lichtes ungestört ausbreiten. Die Entwicklung der letzten Jahre hat zu einer optischen Faser mit nur ca. zwei dB Dämpfung je Kilometer Länge geführt.
Wird eine große mechanische Sicherheit verlangt, wird eine Anzahl Fasern gleicher Eigenschaft parallel geschaltet.
Es sind lichtleitende Fasern bekannt, bei denen der Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel sprtzghaft auf einen kleineren Wert absinkt (DT-OS 2 426 376). Ebenso ist es bekannt, daß der Kern derartiger Fasern als Hohlzylinder mit einer Wandstärke VOll einigen lum Dicke ausgebildet ist. Der Brechungsindex im Inneren dieses Hohlzylinders ist wiederum kleiner als der des eigentlichen Kernmaterials (UT-OS 2 426 376). Licht, das auf irgendeine Art und Weise in den inneren Bereich des Hohlzylinders gelangt ist, wird, sowie es eine Komponente in Richtung auf die Wand besitzt, in den Kern eingekoppelt.
Bei wiederum anderen Fasern nimmt der Brechungsindex von der Mitte des Kernes radial nach außen in einer Art Glockenkurve kontinuierlich ab. Binde scharfe Grenzfläche zwischen Kern und Mantel ist hierbei nicht mehr festzulegen. Hierdurch wird auf elegante Art erreicht, daß Licht, welches einen Umweg über die Außenbereiche der Faser macht, durch den dort herrschenden kleineren Brechungsindex schneller ist und daher nahezu gleichzeitig mit dem Licht, welches direkt im Zentrum entlangläuft, an seinem Empfangsort ankommt. Auch hierbei ist es wiederum bekannt, daß der eigentliche "Kernbereich" der Faser mit dem höchsten Brechungsindex eine Art Hohlzylinder darstellt, an den sich im Inneren sowohl als auch im Äußeren eine Zone niedrigeren Brechungsindexes anschließt (DT-OS 2 302 556).
Ublicherweise werden lichtleitende Glasfasern so hergestellt, daß die Innenseite eines Glasrohres mit einer oder mehreren Schichten Glases unterschiedlichen Brechungsindexes bedampft werden. Dieses Rohr wird dann auf das geforderte Maß heruntergezogen. In jedem Falle ist aber der Mantel mit dem Kern verschmolzen.
Das führt dazu, daß keine Veränderung des Kernes vorgenommen werden kann, ohne gleichzeitig den Mantel zu verändern. Weiterhin pflanzt sich eine Beschädigung des Mantels, z.B. ein Spannungsriß, rasch bis in den Kern fort. Es ergeben sich beispielsweise Schwierigkeiten bei der Ankopplung zweier derartiger lichtleitender Fasern, weil die Kerne nicht getrennt vom Mantel miteinander verschweißt werden können, weil Querschnittsaufweitungen oder Verjüngungen an der Koppelstelle nicht einfach möglich sind und weil an den üblichen Koppelstellen eine sehr enge geometrische Toleranz eingehalten werden muß.
Die Erfindung geht aus von einem mehr3chichtigen, von einer Schutzhülle umgebenen optischen Übertragungselement, bestehend aus mindestens einem Kern und einem Mantel, wobei das Material des Mantels einen kleineren Brechungsindex als das des Kernes aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mechanisch unempfindlicheres optisches Ubertragungselement hoher optischer Güte anzugeben, bei dem sich separate mechanische Störungen des Kerns oder des Mantels nicht auf den jeweils anderen Teil der Faser übertragen und bei dem sich leichter als bei den bisherigen Fasern Qnkopplungen zweier Fasern herstellen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Kern mit Fasern aus Mantelmaterial umsponnen ist. Hierdurch wird die mechanische Empfindlichkeit der Faser erheblich verringert. Brüche in einzelnen Mantelfasern sind ohne Belang. Sie haben keinen Einfluß auf den Kern.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der optisch leitfähige Kern, auf den als Mantel Fasern aufgesponnen sind, als dünnwandiger Hohlzylindr ausgebildet ist und daß der Innenraum des Hohlzylinders mit einem Material ausgefüllt ist, dessen Brechungsindex kleiner als der des Hohlzylinders und damit des Kernes ist.
Dabei ergibt sich ein besonders stabiler Kern, wenn der optisch leitfähige Kern, also in diesem Fall der Hohlzylinder, auf einem vollen Zylinder mit kleinerem Brechungsindex sitzt und mit diesem zusammen hergestellt wird. Auch hier werden wieder Mantelfas>rn aufgesponnen. Durch den dünnwandigen Hohlzylinder als optisch leitfähigen Kern bleiben die Eigenschaften eines Monomodenleiters angenähert erhalten, ohne daß man mit so extrem dünnen und daher empfindlichen Kernen zu arbeiten braucht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich daraus, daß der Kern, auf den als Mantel Fasern aufgesponnen sind, selbst aus einem Faserbündel besteht. Hierdurch wird auch noch die mechanische Empfindlichkeit des Kernes stark verringert. Brüche in einzelnen Fasern des Kernes ergeben nur noch vernachlässigbare Ubertragungsfehler, da das Licht dieser Faser sich beiderseits der Bruchstelle in die Nachbarfasern einkoppeln kann. Die Herstellung von Verbindungen jeder Art würde in allen drei eben genannten Fällen wesentlich vereinfacht. Aufdickungen des Kernes, Verjüngungen und Schweißverbindungen wären jederzeit möglich.
Um die Beweglichkeit eines optischen Ubertragungselementes, bei dem sowohl der Kern als auch der Mantel aus vielen einzelnen Fasern besteht, möglichst groß zu machen, empfiehlt es sich, daß die Fasern des Kernbündels mit einem anderen Schlag als die Mantelfasernverdrallt sind.
In jedem Fall ist es zweckmäßig, daß der Mantel von einer festsitzenden elastischen Schutzhülle umgeben ist. Diese elastische Schutzhülle sorgt für einen mechanischen Schutz der dünnen und daher empfindlichen Mantelfasern. Außerdem verhindert sie ein Überkoppeln des Lichtes von einem Ubertragungselement in ein benachbartes, wenn sie mit einem absorbierenden Stoff, beispielsweise einem Farbstoff oder Ruß, versehen ist. Außerdem verhindert sie ein Verschmutzen der Zwischenräume zwischen den Mantelfasern.
Die darin enthaltene Luft bildet zum Teil die Grenzschicht zum Kern. Eine Verschmutzung würde Brechungsindexänderungen und damit ein völlig anderes optisches Verhalten verursachen.
Das hier vorgeschlagene optische Ubertragungselement wird man vorteilhaft so herstellen, daß die Kern- und Mantelfasern gleichzeitig gezogen und die Mantelfasern im gleichen Arbeitsgang direkt anschließend aufgesponnen werden. Es spielt dabei keine Rolle, ob der Kern aus einer einzelnen Faser, aus einem Hohlzylinder oder aus einem ganzen Faserbündel besteht. Bei einer derartigen Herstellung des optischen Ubertragungselementes würden die Kosten dafür denen für die bekannten Verfahren entsprechen. Um rationell und kostensparend herstellen zu können, ist es weiterhin empfehlenswert, daß auf das Ubertragungselement unmittelbar nach dem Aufspinnen des Mantels im gleichen Arbeitsgang eine Schutzhülle aufgespritzt wird. Es kann sich bei der elastischen Schutzhülle beispielsweise um einen Thermoplasten handeln, der durch eine Schneckenpresse aufgespritzt wird, indem der mit Mantelfasern umsponnene Kern durch den Kopf dieser Schneckenpresse geführt wird.
Die für die Herstellung der optischen Ubertragungselemente notwendige Verdrallung der Mantelfasern kann dadurch erreicht werden, daß kreisförmig um den Kern rotierende Zieheinrichtungen für die Mantelfasern vorgesehen sind. Bei der Herstellung von optischen Übertragungselementen als Litzen, die aus einer Vielzahl einzelner aus Kern und Mantel bestehenden Fasern aufgebaut sind, ist bereits eine ähnliche Vorrichtung bekannt (DT-PS 1 596 485). Auch hier werden die einzelnen lichtleitenden Fasern durch die Rotation ihrer Zieheinrichtung verdrallt, bevor sie im Tauchverfahren mit einer Schutzhülle umgeben werden. Es handelt sich wohlgemerkt aber nicht um das Aufspinnen von Mantelfasern, sondern nur um das Zusammenfügen kompletter lichtleitender Fasern. Durch das Zusammenfügen vieler lichtleitender Fasern kann die Dämpfung des gesamten optischen Ubertragungselementes herabgesetzt werden0 Eine Vereinfachung der Aufspinnung der Mantelfasern ergibt sich dann, wenn der Kern aus einer einzelnen Faser oder einem Hohlzylinder besteht. In einem solchen Fall ist es ausreichend, daß die Fasern vom Ziehort bis zur Aufwickeltrommel geradlinig geführt sind und die Aufwickeltrommel um die Ziehachse rotierbar ausgebildet ist.
Bestehen so-woh1er Kern als auch der Mantel aus einer Vielzahl von einzelnen Fasern und sollen diese mit unterschiedlichem Schlag verdrallt werden, so müssen sowohl die Zieheinrichtung für die Kernfasern als auch die Zieheinrichtung für die Mantelfasern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotieren.
Alternativ können die Aufwickeltrommel und der Spinner oder die Zieheinrichtung für die Mantelfasern mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, während die Zieheinrichtung für die Kernfasern ruht.
An Ausführungsbeispielen sei die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren 1, 2 und 3 je ein optisches Ubertragungselement, das aus Kern, Mantel und Schutzhülle aufgebaut ist. Die einzelnen Elemente sind dabei nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander dargestellt.
Die Figur 1 zeigt ein optisches Ubertragungselement 1, bei dem der Kern 2 aus einer wenige/um dicken Kernfaser 3 besteht, die über den ganzen Querschnitt einen einheitlichen Brechungsindex besitzt.
Der diesen Kern 2 umgebende Mantel 4 wird von aufgespoimenen Mantelfasern 5 gebildet. Als äußere Hülle schließt sich eine aufgespritzte, elastische Schutzhülle 6 aus einem thermoplastischen Kunststoff an. Bei der hier verwendeten extrem dünnen Kernfaser 3 kann sich nur eine Lichtmode in der Faser ungestört ausbreiten.
Die Mantelfasern 5 können, wie in der Figur 1 dargestellt, im Durchmesser wesentlich größer sein als die Kernfaser 3; sie können aber auch annähernd den gleichen Durchmesser besitzen. Denkbar wäre auch, mehrere Lagen von Mantelfasern kleinen Durchmessers übereinander anzuordnen. Dadurch würde die Flexibilität des optischen übertragungselementes 1 noch erhöht.
Wenn es bei der tibertragung von Lichtsignalen nicht zu sehr auf die phasenrichtige Ubertragung ankommt, kann selbstverständlich auch eine Kernfaser 3 mit wesentlich größerem Durchmesser verwendet werden, in der sich dammhrere unterschiedliche Lichtmoden ungestört ausbreiten und überlagern können.
In der Figur 2 besteht der Kern 2 des optischen Übertragungselementes 1 aus zwei Bereichen. Ein Hohlzylinder 7 mit hohem Brechungsindex bildet den eigentlichen '1Kernbereich", währen sich im Innenraum 8 ein Material mit niedrigerem Brechungsindex befindet. Der gesamte Kern 2 hat damit einen erheblich größeren Durchmesser als der Kern 2 in Figur 1. Er ist daher nicht so empfindlich gegen mechanische Beanspruchungen. Trotzdem ist der eigentliche Kernbereich, also die Wandstärke des Hohlzylinders 7, so klein, daß sich auch hier nur eine Lichtmode ausbreiten kann.
Licht, das beim Einkoppeln in den Innenraum 8 des Kernes 2 gelangt, läuft nach kurzer Zeit in dem Hohlzylinder 7 mit größerem Brechungsindex weiter. Mehrere Moden und damit verbundene Modenkopplungen könnten sich nur in einem kurzen Ubergangsgebiet auswirken. An diesen speziellen Kern 2 schließen sich in dieser Ausführungsform Mantelfasern 5 mit kleineren Durchmesser an. Den Abschluß bildet wiederum eine aufgespritzte Schutzhülle 6.
In der Figur 3 besteht der Kern 2 des optischen Ubertragungselementes 1 aus einem ganzen Bündel von Kernfasern 3. Daran schließen sich wiederum die Mantelfaser und die Schutzhülle 6 an. Dadurch, daß in diesem Falle für den Kern 2 ein Bündel von Kernfasern 3 verwendet wird, verringert sich die mechanische Empfindlichkeit des Kernes. Brüche in einzelnen Fasern 3 des Kernes 2 sind ohne Belang, da das Licht sich beiderseits der Bruchstelle in die benachbarten Kernfasern 3 einkoppelt und dort weiterläuft.
In allen drei hier beispielhaft gezeigten Ausführungsformen besteht durch diese Verbindung zwischen Kern 2 und Mantel 4 die Möglichkeit, entweder den Kern 2 oder auch den Mantel 4 getrennt zu behandeln. So können z.B. die Kerne 2 zweier optischer Ubertragungselemente 1 miteinander verschweißt werden, ohne daß dabei ein Zerlaufen des Materials auch im Mantelbereich erfolgt.
Ebenso können bei unterschiedlichen Durchmessern verschiedener optischer Ubertragungselemente 1 diese zum Zwecke des Verbindens aufgedickt oder verjüngt werden.
3 Figuren 7 Ansprüche

Claims

PatentansprUche von Mehrschichtiges, von einer Schutzhülle umgebenes optisches ertragungselement, bestehend aus mindestens einem Kern und einem Mantel, wobei das Material des Mantels einen kleineren Brechungsindex als das des Kernes aufweist, dadurch gSkennzeichnet, daß der Kern (2) mit Fasern (5) aus Mantelmaterial umsponnen ist.
2. Optisches Ubertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch leitfähige Kern (2), auf den als Mantel (4) Fasern () aufgesponnen sind, als dünnwandiger Hohlzylinder (7) ausgebildet ist und daß der Innenraum (8) des Hohlzylinders (7) mit einem Material ausgefüllt ist, dessen Brechungsindex kleiner als der des Hohlzylinders (7) und damit des Kernes (2) ist.
3. Optisches Ubertragungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2), auf den als Mantel (4) Fasern (5) aufgesponnen sind, selbst aus einem Faserbündel besteht.
4. Optisches Ubertragungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) des Kernbündels mit einem anderen Schlag als die Mantelfasern (5) verdrallt sind.
5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Ubertragungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kern- (3) und Mantelfasern (5) gleichzeitig gezogen und die Mantelfasern (5) im gleichen Arbeitsgang direkt anschließend aufgesponnen werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß kreisförmig um den Kern (2) rotierende Zieheinrichtungen für die Mantelfasern (.5) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3, 5) vom Ziehort bis zur Aufwickeltrommel geradlinig geführt sind und die Aufwickeltrommel um die Ziehachse rotierbar ausgebildet ist.