DE2821642A1 - Faser-lichtwellenleiter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Faser-lichtwellenleiter und verfahren zu dessen herstellung

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Description

28/1642
Anmelderin: Stuttgart, den 16. Mai 1978
Hughes Aircraft Company P 3538 S/kg Centinela Avenue and Teale rtreet
Culver City, Calif., V.St.A.
Vertreter:
Kohler - Schwindling - Späth Patentanwälte
Hohentwielstraße 41 7000 Stuttgart 1
Paser-Lichtwellenleiter und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Faser-Lichtwellenleiter mit einem wellenleitenden Kern und Mitteln, zur optischen Begrenzung der im Kern geleiteten Wellentypen.
809848/0850
Es besteht ein Bedarf an Fa.^er-Lichtwellenleitern, die zur Übertragung von Infrarotlicht mit Wellenlängen von 10,6 /tm und mehr geeignet sind· Die bisher bekannten, beaten Lichtwellenleiter dieser Art bestehen aus ASpSe.,-Glas und haben eine Grenzwellenlänge von etwa 12 /<mo
Es wurde in fast allen bedeutenden Forschungszentren der Welt sehr viel Mühe darauf verwendet, verluatarme optische Wellenleiter aus Oxidglasfasern herzustellen. Es wurden Wellenleiter entwickelt, die einen extrem kleinen Übertragungsverlust im Bereich von 1 dB/km aufweisen« Die Durchlässigkeit im Infrarotbereich erstreckt sich bis etwa 4- oder 5 /*■ su Über nicht oxidische Fasern aus Arsensulfid (As0S-,) und Verbindungen von Arsen, Schwefel, Selen und Tellur wurde von Kapany in seinem Buch "Fiber Optics", Academic Press, 1967, Seiten 273, 274, berichtet«, Die Durchlässigkeit dieser Chalcogenid-^asern erstreckt sich bis zu einer Wellenlänge von etwa 12 ^m0 Die Absorption bei Wellenlängen von 10 /ta und mehr ist jedoch bedeutend größer als
—2 —1
10 cm , so daß ihre Anwendbarkeit begrenzt iat.
Bezüglich einer weitergehenden Behandlung des allgemeinen Gebietes der Faseroptik-Sechnologie wird auf das Buch von Michael K. Barnoski: "Fundamentals of Optical Fiber Communications", Academic Press 1976, verwiesene
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Faser-Lichtwellenleiter zu schaffen, der eine verbesserte Durchlässigkeit im Infrarotbereich, aufweist und sich, auch noch jenseits einer Wellenlänge von 12 ^m durch eine sehr geringe Dämpfung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Lichtwellenleiter gelöst, dessen Kern aus einem kristallinen Halogenid eines Metalles aus den Gruppen IA, IB oder IIIA des periodischen Systems der Elemente besteht. Besonders geeignet sind schwere Ionen enthaltende "Verbindungen, wie Thalliumbromid (Tl.Br) und Thalliumbromjodid (TlBr I-1 ). Die Grenzwellenlänge des erfindungsgemäßen Faser-Lichtwellenleiters liegt bei etwa 35 /to und es werden bis zu dieser Wellenlänge hin sehr kleine Dämpfungswerte erhalten·
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen solcher Faser-Lichtwellenleiter„ Versuche, die für den erfindtmgsgemäßen Lichtwellenleiter verwendeten Materialien unter Anwendung der üblichen Ziehtechnik zu optischen Fasern zu verarbeiten, war nicht erfolgreich. Anscheinend läßt sich diese Technik bei diesen Werkstoffen nicht anwenden,, Ea besteht jedoch die Möglichkeit, unter Anwendung von erhöhten Temperaturen und hohem Druck aus diesen Materialien durch Extrudieren Fasern herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren
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besteht demgemäß darin, daß der Kern des Faser-Lichtwellenleiters durch Extrudieren hergestellt wird« Die dabei angewendete erhöhte Temperatur soll zweckmäßig unter dem Schmelzpunkt des den Kern bildenden Materials liegen«,
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Aueführungsform näher beschrieben und erläuterte Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Ea zeigen
Figo 1 die schematische Darstellung einer Extrusionsvorrichtung zur Herstellung von Faser-Lichtwellenleitern nach der Erfindung,
Figo 2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Faser-Lichtwellenleiters nach der Erfindung und
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 durch den Lichtwellenleiter nach Fig. 2«
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen einen neuartigen Faser-Lichtwellenleiter 10, der für Infrarotlicht durchlässig ist und eine wirksame Übertragung im Bereich von Wellenlängen erlaubt, der weit über den Bereich hinausgeht,
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der mittels "bekannter Glaswerkstoffe übertragbar ist» Der neuartige Paser-Lichtwellenleiter weist einen polykristallinen Kern 11 aus einem Itetallhalogenid, wie beispielsweise Thalliumbromid, Thalliumbrom3odid (KRS-5) oder Silberchlorid oder einem Alkalimetallhalogenid auf, der durch Extrudieren hergestellt wurde. Zur Vervollständigung des Lichtwellenleiters sind die polykristallinen Kerne in eine den Kern lose umgebende Kunsfcetoffhülle 12 eingesetzt, die sowohl ζ ~ optischen Begrenzung der geleiteten Wellentypen auf d«n Kern als auch als mechanischer Schutz für den kristallinen Kern dient· Diese allgemeine Art von Fasern mit einer Kunststoffhülle, die jedoch von einem Kern aus Siliciumoxid Gebrauch machen, wurde von L. L» Blyler, Jr„et al, in einem Aufsatz: "Low-Loss, Polymer-Clad Silica Fibers Produced by Laser Drawing" behandelt, der in einer Druckschrift mit dem Titel "Optical Fiber Transmission" veröffentlicht wurde«, Bei dieser Druckschrift handelt es sich um eine Sammlung der technischen Aufsätze, die bei dem "Topical Meeting on Optical Fiber Transmission" vorgetragen wurden, das vom 7« "bis 9· Januar 1975 in. Williamsburg, Virginia, VStA, stattfand« Herausgeber der Druckschrift ist die Optical Society of America, 1975o Wie in dem oben erwähnten Aufsatz angegeben, kann die Kunststoffhülle beispielsweise aus Teflon (Polytetrafluoräthylen) bestehenο
Die optische Durchlässigkeit des Lichtwellenleiters erstreckt sich von etwa 0,6 /m. im sichtbaren Bereich bis λ etwa 55 A*01 im Infrarotbereich. Zum Vergleich
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haben die üblichen Oxidglasfasern Grenzwellenlängen im Infrarotbereich bei 4 oder 5 /im und die weniger üblichen Arsentrisulfid- und Arsentriselenid-Glasfasern Grenzwellenlängen im Bereich von 8 bzw· 12
Mögliche Anwendungen für die neuen polykristallinen Fasern umfassen die Zerlegung von Bildern, die mittels in der Brennebene gelegenen Anordnungen erzielt werden, zum Zwecke einer verbesserten Signalfeststellung und -verarbeitung, die Übertragung von Brennebenen zu entfernten Photodetektoren, die Übertragung des von Hochleistungs-CO- und -CC^-Lasern erzeugten Lichtes zur Erwärmung oder Bearbeitung von Werkstoffen an entfernten oder schlecht zugänglichen Stellen und die Nachrichtenübertragung auf extrem verlustarmen Leitungen· Die Anwendung zur Nachrichtenübertragung erfordert beträchtliche Sorgfalt bei der Ausbildung des Lichtwellenleiters und der Reinigung des Materials. Die Verluste solcher Fasern, wenn sie aus hochreinen Werkstoffen hergestellt sind, sind um Größenordnungen geringer als diejenigen der besten verlustarmen Glasfasern, die gegenwärtig erhältlich sind und deren Dämpfung etwa 1 dB/k» bei 1,06 /*a beträgt«,
Figo 1 zeigt schematisch eine Extrudiervorrichtung but Herstellung der Kerne 11 des Lichtwellenleiters 10. Diese Extrudiervorrichtung umfaßt einen Zylinder 21, in den eine Werkstoffmenge 11a eingebracht wird. Der Zylinder 21 weist an einem Ende eine Extrudierform
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aufο Ein Stempel 23 ist mit einer Antriebsvorrichtung verbunden, die in der Lage ist, den Stempel 23 axial in den Zylinder 21 in Richtung auf die ibctrudierform 22 hineinzudrückeno
Der Durchmesser der öffnung 25 in der Extrudierform ist so bemessen, daß polycristalline Fasern mit einem Kerndurchmesser im Bereich von 0,1 bis 0,5 um erzeugt werden. Die Extrudiertemperatur für KRS-5 liegt im Bereich von 200 bis 35O°O„ Diese Temperatur ist geringer als der Schmelzpunkt von KRS-5, der 4-140C beträgt« Die Extrudiergeschwindigkeit beträgt einige Zentimeter pro Minute. Die Lichtwellenleiter wurden aus handelsüblichen Werkstoffen hergestellt. Die Verluste des Wellenleiters waren vornehmlich durch die Absorption an Verunreinigungen und durch Streuung an Fehlstellen des Wellenleiters bedingte Es wurde ein Absoprtionskoeffizient von weniger
—2 —"1
als 10 cm bei einer Wellenlänge von 10,6 /am beobachtet· Es wurden sogar Werte von nur 10%/m oder 10""* cm festgestellt. Das Licht eines kontinuierlichen COg-Lasers mit einer Leistung von 2 W wurde durch eine Versuchsfaser ohne Qualitätseinbuße übertragen· Fasern aus KRS-5 besitzen bemerkenswerte kunststoffartige oder plastische Eigenschaften im Temperaturbereich von 250 bis 350°^· In diesem Bereich können die Fasern durch Biegen in fast Jede beliebige Form gebracht werden, welche die Faser beibehält, wenn sie auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird· Die mechanischen Eigenschaften von Thalliumbromidfasern sind davon sehr verschieden· Bei diesen Fasern
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id
erstreckt sich der Temperaturbereich der plastischen Verformbarkeit bis unter Raumtemperatur, so daß diese Fasern bei Umgebungstemperatur äußerst biegsam sind»
Allgemein ausgedrückt, können die Kerne dieser Fasern aus den Halogeniden der Metalle der Gruppe IA des periodischen Systems der Elemente hergestellt werden, bei denen es sich um die Alkalimetalle Lithium, Natrium, Caliua, Rubidium, Cesium und Francium handelt. Weiterhin können die Kerne aua Halogeniden der Metalle der Gruppe IB des periodischen Systems der Elemente bestehen, also aus den Halogeniden von Kupfer, Silber oder Gold« Endlich kommen auch die Halogenide der Metalle der Gruppe ΙΙΙΔ in Frage, also die Aluminium-, Gallium—, Indium— und Thalliumhalogenideο Endlich handelt es sich bei einem "Halogenid" um "eine binäre chemische Verbindung eines Halogens mit einem Element oder einer Gruppe, das bzw. die stärker elektro-positiv ist". Endlich ist ein "Halogen" ein beliebiges der "Elemente einer Gruppe von fünf chemisch verwandten, nichtmetallischen Elementen der Gruppe VIIA, die Fluor, Chlor, Brom, Jod und Astatin umfaßt"„ Die vorstehend gebrauchten Ausdrücke wurden im Sinn dieser Definitionen verwendet.
Für die Hülle geeignete Kunststoffe umfassen Teflon, Polyäthylen, Saran, Hytrel-Polyester, Polyamide, Surlyn, Kynar und dergleicheno
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Claims (1)

  1. 8 216
    Patentansprüche
    1„. Faser-Lichtwellenleiter mit einem wellenleitenden ^ Kern und Mitteln zur optischen Begrenzung der im Kern geleiteten Wellentypen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) aus einem kristallinen Halogenid eines Metalles aus den Gruppen IA, IB oder IIIA des periodischen Systems der Elemente besteht«,
    Faser-Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur optischen Begrenzung und zum Schutz des Kernes in einer den Kern (11) lose umgebenden Kunststoffhülle (12) bestehen«,
    3ο Faser-Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kern (11) bildende Material im Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 10,6 ^m einen Absorptionskoeffi-
    —2 —1 zienten von höchstens 10 cm aufweist.
    4p Faser-Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) aus einem Lithium-, Natrium-, Calium~, Rubidium-, Cesium- oder Francium-IIalogenid besteht,
    Faser-Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) aus einem Kupfer-, Silber- oder Gold-Halogenid besteht.
    ./♦
    8Q9848/085Q ORIGINAL INSPECTED
    6ο Faser-Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 "bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) aus einem Aluminium-, Gallium-, Indium- oder Thallium-Halogenid besteht.
    7. Faser-Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) aus einem Metallfluorid, -chlorid, —bromid, -jodid oder -astatin bestehto
    Paser-Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er für Infrarotstrahlung bis zu einer oberen Grenzwellenlänge von 35 ,M-ffl durchlässig i3to
    Verfahren zur Herstellung eines Fuser-Lichtwellen-Ieiter3 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern durch Extrudieren hergestellt wirdo
    Oo Verfahren nach Anspimch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudieren bei erhöhter, jedoch unter dem Schmelzpunkt des den Kern (11) bildenden Materials liegender Temperatur erfolgt.
    809848/0850
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