DE2723587B2 - Optische Faser für die Nachrichtenübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Käser für die Nachrichtenübertragung, die mit einer Schutzschicht aus einem hochmolekularen Elastomer versehen ist.

Bei bekannten faseroptischen Einrichtungen für die Nachrichtenübertragung wird eine optische Faser verwendet, die im wesentlichen aus einem Kern und einer den Kern umgebenden Mameisehichi besteht, wobei der Brechungsindex de, Kerns und der Mantelschichi verschieden ist. Durch den Unterschied des Brechungsindex wird die optische Transmission gewährleistet. Solche optischen Fasern sind jedoch mechanisch zerbrechlich. Zur mechanischen Verstärkung sind daher solche optischen Fasern gewöhnlich mit einer Schutzschicht aus einem Material mil relativ großer Härte und relativ großem Biegemodul umgeben, wie Polyamid (PA), Polyvinyl-Formal (PVFM), Fluoriithylen-Propylen-Kopolymeren (FEP), Polyäthylen (PH) oder dergleichen. Bezüglich der Verfahren, nach denen optische Fasern beschichtet werden, w ird auf den Artikel »Loss in coaled optical fibers« von K. I s h i d a el ill., 147") National Convention of ine |apanese Elektronic Communication Society, Lecture Papers. Pari 4, Seile 427, Mär/. I47>. verwiesen.

Durch die Entwicklung der HerMcllungslcchnik für optische Fasern ist es möglich geworden, die Fesligkeil der Fasern selbst zu erhöhen. Die Funktion einer Versiärkungsschicht einer optischen Faser wurde dadurch weniger bedeutsam. Mit anderen Worten. Schichimiiterialien, die eine geringere Härte und einen geringeren Biegemodul als die üblichen haben, reichen als Verstärkung aus.

Verbesserungen wurden auch hinsichtlich der Transmissionsvcrlust-F.igcnschuficn von optischen Fasern erzielt. Fs wurde herausgefunden, daß eine Schutzschicht die Transmissionsverlliste optischer Fasern erhöhl. |e großer die Härte und der Biegemodul des Beschichtungsmutcrials sind, desto größer sind die Triinsniissionsverluste. Für ein und dasselbe Beschichlungsniateriiil sind die Transmissionsverlusie um so größer, je niedriger die Temperatur ist. Ein solches Anwachsen des Transmissionsverlustes bedingt einen geringeren Relais-Verstärker-Abstand und ein niedrigeres Signal/Rausch-Verhältnis. so daß an die Konstruktion periphere!' Geräte strengere Anforderungen /u stellen sind. Die praktische Anwendung beinhaltet verschiedene Probleme. Um das Auftreten unerwünschter Schwierigkeiten /u vermeiden, ist es im allgemeinen notwendig, den TransmissionsverUisi pro Kilometer auf höchsiens etwa ¹I dB und das aus einer Temperalurandemng von 20 Caul —W C resultierende Anwachsen des l'raiismissionsverlusles auf etwa 2 dB pro Kilometer /u hallen.

Die Erfindung basiert auf einer genauen Analsse der oben an>!i'spi;>clienen Probleme.

Der Grund, weshalb eine Schutzschicht bei optischen Fasern die Transmissionsverlusie erhöht, wird im folgenden erläutert.

Üblicherweise wird die Schutzschicht einer optischen

ι Faser im Extrusionsverfahren hergestellt. Die extrudierle Schutzschicht schrumpft, während sie sich verfestigt, sowohl in radialer als auch in longitudinal Richtung der optischen Faser.

Durch die radiale Schrumpfung der Schulzschicht in wird die optische Faser zusammengedrückt. Als Folge von schon vor der Beschichtung an der Oberfläche der optischen Faser haftenden sehr kleinen Sehmutzieilchen in oder von im Beschichiungsmaterial als Folge eines Schaumeffektes erzeugten Blasen ist die Übergangsgrenzschicht zwischen der extrudieren Schutzschicht und der optischen Faser nicht imnicr homogen. Sind in dieser Grenzschicht Unregelmäßigkeiten vorhanden, so kann der durch die radiale Schrumpfung des Beschichtungsmaterials in Richtung auf die Achse der .'ο Faser ausgeübte Druck niehl gleichförmig auf die optische Faser übertragen werden. Die Folge davon ist. daß in der optischen Faser Mikro-Biegungei) auftreten, die eine Lichtstreuung nach außen bewirken.

Durch die longitudinal Schrumpfung des Schutz-

r> schichimaierials tritt im Grenzflächenbereich zwischen der optischen Faser und dem Schuizschichtmaicrial eine Scherspannung auf, die dazu führt, daß die Dichte einer die optische Faser unmittelbar umgebenden Kernmantclschichi größer wird. Der Brechungsindex der

«ι Kernmantelschicht wird entsprechend vergrößert, so daß sich in der optischen Faser der Brechungsindex des Kerns gegenüber dem der Mantclschicht ändern kann.

Auch hierdurch Irin ein Lichiverlusi auf. Demgemäß isi festgestellt worden, daß das mit der Beschichtung einer

π optischen Faser verbundene Anwachsen des Transniissionsverlusies vom Schrumpfen des Bcschichtungsnuilerials wahrend seiner Verfestigung hei rührt.

Ein /weiter Effekt besieht darin, daß der Transmissionsvcrlust in einer optischen Faser um so größer isi. ie ·»< > größer die Härte und der Biegemodul des Schul/-schichtmaierials sind. Dies w nil wie lolgi erläutert:

Ein Sclv.ii/scliichtmaterial mn größerer Harte und

größerem Biegemodul schrumpft stärker, so dal.) auch der iiuf die optische Faser wirkende Kompressions

4Ί druck anwächst. Die Folge davon isi. daß der durch Mikrobiegungen bedingte Verlust vergrößert wird.

Zum drillen zeigt eine beschichtete optische Faser

einen anwachsenden Transmissioimerlusi. wenn die Temperatur absinkt. Dies rührt daher, daß der Beirag

ι» um den das Schiit/schichimaicrial schrumpft, von der Umgebungstemperatur abhängt.

Demgemäß isi es Aufgabe der Erfindung, eine mii einem Schul/scliichtmalerial verstärkte optische Faser für die Nachrichtenübertragung an/ugebcn. deren μ Transmissionsverlust sieh im Vergleich nut einem hei Zimmertemperatur günstig geringen Wen auch bei ungünstigen Installalionsbedmgungen. beispielsweise in eurem kalten Gebieten allenl.ills geringlugig ändert

Diese Aufgabe wird erfindiingsgemaß dadurch gelost. Wi daß das die Sehui/schichl bildende Llasionijr bei Zimmertemperatur einen Biegemodul von mindestens 19,b2 · K)" Pa aufweist und dal) der Unerschied de¹· Biegemoduls des Elastomers /wischen /inimeriemper.i tür und etwa - ^r>0 C nicht großer isi als 4M Hl |o^r |',i
*"i Weitere Ein/clheilen und Merkmale ι er I rlmd'ni}· ergeben sich .his der nachlolgcnilcn Besc ncihinii' sun Auslührungsbeispielen anhand der /eichni.ng. Hs zeigi Fig. 1 eine erste Ausführiingslorni eine· erlindiings

gemäßen optischen Faser zur Nachrichtenübertragung. im Querschnitt und

I" i g. 2 eine /weite Ausführungsform der irfindungsgemäßen optischen Käser in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung. -,

Unter Verwendung verschiedener hochmolekularer Materialien wurde eine Anzahl systematischer Experimente ausgeführt, um die beste Möglichkeit herauszufinden, wie (lcr durch Mikro-Biegungen verursachte Lichtverlust vermindert werden kann, wenn eine ii> optische Faser mit einer Schutzschicht versehen ist. Da die Härte und der Biegemodul des Materials in einer gesetzmüßigen Beziehung zueinander stehen, ist es möglich, nur den Biegemodul als Parameter zu wählen. F.s ist festgestellt worden, daß der durch Mikrobicgun- π gen bedingte Verlust auf ein praktisch annehmbares MaIJ heruntergedrückt werden kann, wenn der Biegemodul des Beschichtungsmalerials 19,62 · IC^-1Pa oder mehr und der Unterschied zwischen den Biegemoduln bei Zimmertemperatur und bei etwa —50 C höchstens 2» etwa 48.10- 10" Pa beträgt. Bcschiehtungsmatcrialien mit einem Biegcmodul von weniger als 19.b2 ■ IO^h Pa bei Zimmertemperatur sind zur Verstärkung nur beschrankt geeignet und werden leicht beschädigt. Unter F.inwirkung äußerer Kräfte wird die Schutz- 2~< schicht im beschädigten Bereich teilweise abgestreift und die optische Faser kann abgerissen werden. Wenn der Unterschied der Biegemoduln bei Zimmertemperatur und etwa -50"C größer ist als 98.10 ■ 10" Pa. dann hai das Beschiehlungsmaterial bei tiefen Temperature« m einen erhöhten Biegemodul. so dall ein beträchtlicher, durch Mikro Biegung bedingter Verlust aulireien kann. Zu beachten ist. daß die Temperatur von etwa - 30 C deshalb gewählt ist. weil angenommen wird, dall dieser Wen die unterste Temperaturschranke für irgendein r> (k-bict der Krde ist, in dem faseroptische Finrichiungen unsachlich installiert werden.

Wenn die Schutzschicht aus hochmolekularen Materialien mit einem Hicgcmodul aus dem oben definierten Bereich besteht, so vermittelt sie der 4< > optischen laser die erforderliche Festigkeit und vermindert nicht nur bei Zimmertemperatur, sondern auch bei niedrigen Temperaturen durch Mikrobiegiing bedingte Verluste. Im Frgebnis kann ein Anwachsen des Transmissionsverlustes ais Folge einer Temperatur- 4~> Schwankung in einem Bereich zwischen 20 C und - ji) C auf einen praktisch annehmbaren Wert in der CtröHenordmirig von 2 dB/km heruntergedrückt werden.

Is weiden nun die folgenden Beispiele der llrlirulung ίο betrachici:

Tabelle I

Ϊ3 e i s ρ i e I 1

Gemäß Fig. I umfallt eine beispielsweise Silieon-ummantcltc optische Faser einen Quarzglaskern Il mit einem Durchmesser von 150 Mikrometer: der den Kern umschließende Silicon-Kern-Mantel 12 hat eine Dicke von 100 μπι. lis wurden fünf Fasern präpariert. Fine einen Quar/glaskern 11 und einen Kernmaniel 12 aus Silicon-Material umfassende optische Faser Π ist als Probe 1 bezeichnet. Das Silicon-Material des Kernmantels dieser Faser hat bei 20⁰C eine Shore Α-Härte von 20 und bei -50⁰C eine.solche von 22. Sein Biegemodul bei 20° C beträgt ca. 1,962 · 10^ Pa und bei -50⁰C ca. 3,139 · 10« Pa.

Weitere vier optische Fasern 13, die als Proben II, Hl, IV bzw. V bezeichnet sind, sind mit einer zylindrischen Schutzschicht 15 mit einer Dicke von 350 μΐη umgeben.

Die Probe Il hat eine .Schutzschicht aus Polyamid-Material, das bei 20 C eine nach Rock w e 11 gemessene Hüne von IOb und einen Biegcmodul von 1.472 · KV Pa und bei - 50 C einen Biegemodul von 4.905 ■ K)" Pa hat.

Bei der Probe III und der Probe V besteht die Schutzschicht aus einem Poly[biitylenterephthalai-co-(mullibut\lenovv)tercphthalat] mit unterschiedlichem Verteilungsverhältnis von »weichen« Blöcken von Multibunlenoxyterephthalat-Segmenten und »harten« Segmenten von Butylenterephthalat- oder Tetramellnlenterephthalat-Hinheilen. Bei der Probe III hat die Schutzschicht 15 bei 2O⁰C eine Shore D- bzw. A-Härte von 42 bzw.92 und einen Biegemodul von 49.0> ■ IO^h Pa und bei -50C" eine Shore D-Härte von 43 und einen Biegemodul von b8.67 · IO^hPa. während die Schutzschicht der Probe V bei 20 C cine Shore D-Härte von b0 und einen Biegcmodul von 20b · IO^h Pa und hei -50 C eine Shorc-D-Häru· von 72 und einen Biegemodul von 392,4 · 10⁶Pa hat.

Bei der Probe IV besteht die Schutzschicht aus einem Silicon-Kauischuk-Malerial. das bei 20"C eine Shore-D- bzw. Shore-A-Härie von 27 bzw. 50A und einen Biegemodul von 29.43 · IO^hPa und bei -50 C eine Shore-D-I latte von 27 und einen Biegemodul von 49.05 · 10" Pa hat.

Die insoweit angegebenen, die Kernmantelscliicht 12 und die Schutzschicht 15 der Proben Il bis V charakterisierenden mechanischen F.igenschallen dieser Schichten 12 bzw. 15 und die an der Probe I als Referenzprobc und an den Proben Il bis V bei 20"C" und — 50'C" gemessenen Weile lies Traiismissioiisverliisis bzw. der Verlustziinahme in dB/km sind in der Tabelle I /iisammcngcstclll.

Härte (Shore A, D;
Rockwell R)

Biegemodul (Pa)

Transmissionsverlust bei der
Wellenlange 0,85 μηι (dB/km) _₅₀

Verluslzunahme (dB/km)

Tcmp.	Probe	Il	Ml	IV	V
( C)	I	R 106	42 D (92 A)	27D(5OA)	6OD
20	20A	-	43 D	27 D	72 D
-50	22 A	1,472· \{f	49,05 ■ 106	29,43 · 10"	206 · 10''
20	30	4,905 · 10"	68,67 ■ 10"	49,05 · 10"	392,4 ■ 10"
-50	32	7-8	4	4-4,5	5,5
20	4	12-14	5-6	5-6,5	50
-50	5

5-6 1-2

1-2

44,5

Wie aus der Tab. 1 hervorgeht, ist bei Zimmertemperatur (20 C) der Transmissionsverlusi der Probe II. die eine konventionelle optische Faser mil einer Schutzschicht 15 aus Polyamid (Nylon 12) ist, 2—4 dB/km größer als derjenige der l'robe I. die eine optische Faser ohne Schutzschicht ist. Die Zunahme des Transmissioiisverlustes von 20 C auf - 50 C betrügt bei der l'robe Il 5—6 dB/km, ein Wert, der erheblich größer ist als der für die Probe I ermittelte Wert von 1 dB/km. Es versteht sich, daß die Probe Il für eine Verwendung in äußerst kalten Gebieten ungeeignet ist. Bei der Probe V ist der Transmissionsverlusi bei 20 C nicht wesentlich verschieden von demjenigen der Probe I. so daß die Probe V für eine Verwendung unter normalen Verhältnissen geeignet sein kann, jedoch beträgt die Zunahme des Transmissionsverlusies von 20'C auf -50 C mindestens 44.5 dii/kin. Die Probe V ist daher fur eine Verlegung unter Verhältnissen, wie sie in extrem kalten Gebieten herrschen, ebenfalls nicht geeignet.

Andererseits /eigen die als Proben 111 und l\ bezeichneten optischen Fasern, die gem. der Lrlindiing mit Schutzschichten versehen sind, bei 20"C und - 30 t Transmissionsverlusie. die gleich oder im wesentlichen gleich denjenigen der Probe I sind, die eine optische Faser ohne Schutzschicht ist. Die Zunahmen des Transmissionsverlusies sind also im wesentlichen gleich derjenigen der l'robe I und sehr klein. Die Proben III und IV können daher mit gutem Ergebnis auch bei niedrigen Temperaluren ohne Rücksicht auf die Verleyungsbedingungen benutzt werden.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel ist nach einem konventionellen chemischen Aufdampfverfahren (CVD = chemical \apor deposition) die in der F i g. 2 dargestellte optische laser 30 mit diskret abgestuftem Brechungsindex hergestellt worden. Die optische Faser 30 umfaßt einen l'esikörperteil 31. einen zylindrischen Kernmaniel 32 und eine zylindrische äußere Mantelschicht 33, die radial übereinandergeschichtet sind. Die Zusammensetzung und der Durchmesser der optischen Faser 30 sind in der Tab. 2 dargestellt.

Tabelle 2

Zusammensetzung

Durchmesser Ium)

Kern 31 P₂O₅-SiO₂ 60

Kernmantel B₂O,rSiO₂ 90

Mantelschicht33 SiO₂ (Quarz) 150

Relativer Brechungs- 0,007 (0,7)
index

Der relative Brechungsindex; ist durch die Gleichung (nt - n;)/n_t definiert, wobei Πι der Brechungsindex des Kerns und n? derjenige des Kernmantels 32 ist.

:ii Bezüglich des hierbei verwendeten CA I)A erl.ihrens wird zum Beispiel auf Robert D. Maurer. I S-Ps 37 J7 243 verwiesen.

Die vorstehend beschriebene optische Faser 30 und sodann mit einer ersten Schutzschicht 35 versehen, in-

j) dem ein thermoplastisches Harz, wie Polyurethan oder ein Fpoxyd-Harz mit einer Dicke von etwa ϊ inn aufgebracht wird. Danach wird auf die optische Faser U) über die erste Schutzschicht 35 eine weitere I lüllschichi 34 aufgebracht. Die erste Schutzschicht 35 dient da/u.

in die Mantelschicht 33 gegen jegliches Verkral/en zu schützen und wird aufgebracht unmittelbar nachdem die optische laser 30 mit dem Kern-Kernmantel-Manielschicht-Aufbau nach dem chemischen Aufdampf(CVDJ-Verfahren hergestellt worden ist.

Γ. Es wurden vier als Proben IP, IIP, IV' bzw. V bezeichnete Fasern mit äußeren Hüllschichten 34 mn einer Dicke von 150μπι hergestellt, die jeweils aus demselben Material bestanden wie die Schutzschichten 15 der mit den entsprechenden römischen Ziffern II — V

4Ii bezeichneten Proben gemäß Beispiel 1.

Die physikalischen Eigenschaften der Proben Il — \ wurden bei Temperaturen von 20 C und — in ( gemessen, wobei man die in der Tab. 3 zusammengestellten Daten erhielt:

Tabelle 3

Transmissionsverlust bei Wellenlänge 0,85 |j.m (dB/km)

Verlustzunahme (dB/km)

Temperatur	Probe	ΙΙΓ	IV	V
( O	IT	2	2	2
20	2	2,5	2,5	4
-50	5	0,5	0,5	2
20 auf -50	3

Man erkennt aus der Tab. 3, daß, obwohl der Transmissionsverlust bei Zimmertemperatur bei allen Proben keinen signifikanten Unterschied aufweist, die Zunahme des Transmissionsverlustes von Zimmertemperatur auf eine niedrige Temperatur von -50 C bei beiden Proben IIP und IV 0.5 dB/km beträgt, ein Wert, der 5 —bmal kleiner ist als der für die Proben IP und V ermittelte.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wurde nach dem CVD-Verfahren eine optische Faser mit stetig abgestuftem Brechungsindex hergestellt, die im wesentlichen denselben Querschnitt hatte wie die in der Fig. 2 dargestellte Faser. Dieser Fasertyp unterscheidet sich von der Faser mit diskret abgestuftem Brechungsindex gem. Beispiel 2 dadurch, daß der Brechungsindex in radialer Richtung des Kerns stetig variiert. Die Zusammensetzung und die

(Juerschnitismaßc dieser optischen laser ihm stelig variierendem Brechungsindex sind in der 'lab. 4 zusammengestellt:

Tabelle 4

Zusammensetzung Durchmesser

Kern 31	GeO	,-Β,Ο,-SiO,	60
Kernmantel 32	B;0,	-SiO;	84
ManteKchicht	SiO;	(Quarz)	150
Relativer Brechungsindex (Kcrn-Kcrnmantcl)	0,01	(1,0%)
Parameter ■/	2.Oi	:1

Der Parameter \ beschreibt die Verteilung des Brechungsindex, der vom Zentrum des Kerns 31 nach iiiiHcn hm variiert und in dem Art. »Multimode 1 heors

of Graded (ure l'ibers« von I). Glogc und Ι.. Λ |. M area ti Ii. Bell Systems Technical lournal. lld. ">2. Nr. 4. Seilen ■ 5M-I 578. November 147 i. definiert ist. I!in Verlahren zur I lcrstclliinj: einer liir die Nachrich lenüberniitiluiig geeigneten optischen laser mil stetig sanierendem Brechungsindex ist beispielsweise in der IIS-IVS 38 2ii 5b(l von l'eler Schult«, offenbart. Wie beim Beispiel 2 wird die optische laser mit einer ersten Polyurethan (Hler einem l'.poy.yd-llaiv mit einer Dicke von 5 (im versehen, bevor sie mit einer I lüllsehiehl umkleidet wird.

l'.s wurden vier, als Proben II". 111". IV" Ivw. V ' bezeichnete I äscin mit 150 μιπ dicken Schutzschichten hergestellt, die jeweils aus demselben Material bestanden wie bei den mit den entsprechenden römischen Ziffern Il bis V bezeichneten Proben gemäll Beispiel I Ivw. Beispiel 2.

Die physikalischen Kigenschallen tier Proben II" — V" wurden bei Temperaturen von 20 C und -50 C gemessen, wobei die in der "lab. 5 zusammengestellten Werte erhalten w iirdcn.

Tabelle 5	Temperatur ( ( )	Probe II"	111"	IV"	V"
	20 -50 20 auf -50	3,5 8.5 5	3,5 4 0,5	3,5 4 0,5	3.5 6 2,5
Tiansmissionsvcrlust bei Wellen länge 0,85 μΐη (dB/km) Verlustzunahmc von (dB/km)

Die 1 abelle 5 zeigt, dal», obwohl die bei Zimmertemperatur gemessenen Transmissionsvcrlusl·Werte fur alle Proben keinen signifikanten Unterschied zeigen, die Zunahme des Iransmissionsverlustes von 20 C auf -50 C" nur bei den beiden Proben III" und IV" 0.5 dB/km beträgt, ein Wert, der zeigt, daß diese Schutzschichten, bei denen die Werte des Biegemoduls in dem durch die lirfindung angegebenen Rahmen liegen, die gemäß der lirfindung aus Polvester-I'lastonicren und Silicon-Kautschuk hergestellt werden, sowohl bei tiefen Temperaturen als auch bei Zimmertemperatur besonders günstige l.rgehnissc zeiligen. Im Gegensalz dazu zeigen die Proben II" und V" zwischen 2(1 ( und —50 ( unerwünscht hohe Zunahmen des Transmissionsvcrluslcs von 5 bzw. 2.5dll/kin. Die Proben II" und V" sind daher liir eine Verwendung bei nieilrigen T enieraliiren nicht geeignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Optische Faser für die Nachrichtenüberiragung, die mit einer Schutzschicht aus einem hochmolekularen Elastomer versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schutzschicht bildende Elastomer bei Zimmertemperatur einen Biegemodul von mindestens 19,62 · ΙΟ* Pa aufweist, und daß der Unterschied des Biegemoduls des Elastomers zwischen Zimmertemperatur und —50"C nicht größer ist als 98,10 ■ 10⁶Pa.