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Schutzhülle für Lichtleitfasern
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Die Erfindung betrifft eine Schutzhülle für Lichtleitfasern, bestehend
aus einem das Licht leitenden Kern, einem diesen Kern umgebenden Glasmantel sowie
ggf. bestehend aus einer den Glasmantel eng anliegend umgebenden, im Verhältnis
zum Faserdurchmesser dünnwandigen Hülle (Primärcoating), vornehmlich aus einem synthetischen
Werkstoff.
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Die Dämpfung einer geradlinig spannungsfrei ausgelegten Lichtleitfaser
wird durch Biegung und durch Zug-, Druck-oder Torsionsspannungen verschlechtert.
Dieser Effekt ist um so ausgeprägter, je kleiner der Krümmungsradius und je höher
die einwirkenden mechanischen Spannungen sind.
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Ist die Biegelinie nicht völlig gleichförmig, d.h. wird die Lichtleitfaser
bei der Biegung z. B. infolge Oberflächenrauhigkeit der Auflage nur punktförmig
unterstützt, so folgen im Verlauf der gekrümmten Strecke polygonartig Bereiche eines
mittleren Krümmungsradius auf solche sehr kleiner Biegeradien. Solche mit dem Begriff
"microbending" umschriebenen Effekte können über die Länge einer Lichtleitfaser-Strecke
sehr häufig auftreten und zu einer beträchtlichen Aufsummierung an sich sehr kleiner,
durch den microbending-Effekt verursachter lokaler Dämpfungsanteile führen.
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Lichtleitfasern erhalten unmittelbar nach ihrer
Herstellung
eine dünne Schutzschicht. Dieses in der Regel aus einem Kunststofflack oder einem
extrudierten Kunststoff bestehende Primärcoating hat lediglich die Aufgabe, die
Lichtleitfasern zu begrenzen und die Oberfläche vor Beschädigungen und direktem
Kontakt mit Wasser oder anderen, die Pestigkeit der Faser beeinträchtigenden Medien
zu schützen.
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Übertragungstechnisch relevante Lichtleitfasern weisen einen so kleinen
Durchmesser auf, daß sie, um überhaupt gehandhabt oder weiterverarbeitet werden
zu können, mit einer weiteren Schutzhülle umgeben werden müssen. Nach dem Stand
der Technik wird diese (zweite) Schutzhülle aus Kunststoff hergestellt, indem die
Kunststoffschutzhülle entweder direkt auf das Primärcoating aufextrudiert wird oder
die Faser als Schlauch umgibt.
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Soll die Kunststoffschutzhülle ihrer Aufgabe gerecht werden, so mu3
nicht nur ein verhältnismäßig fester und steifer Werkstoff verwendet werden, die
Querschnittsfläche der Kunststoffschutzhülle muß außerdem etwa 50 bis 100mal größer
sein als diejenige der Lichtleitfaser. Gleichzeitig weist der Werkstoff der äußeren
Schutzhülle einen etwa 1000mal größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten auf als
die Lichtleitfaser. Liegt das Sekundärcoating unmittelbar auf der Faser bzw. auf
dem Primärcoating auf, so wird die Faser durch die Schutzhülle bei Temperaturänderung
nach Maßgabe der Querschnittsflächen, der Elastizitätsmodule und der Ausdehnungskoeffizienten
gereckt und gestaucht.
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Im Falle des losen Sekundärcoatings erfolgt bei positiver
Temperaturänderung
eine Reckung und bei Temperaturabnahme eine wellige Auslenkung der Faser, durch
die das relative Übermaß der Lichtleitfaser gegenüber der Schutzhülle abgebaut wird.
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In beiden beschriebenen Fällen ist eine Temperaturabhängigkeit der
Dämpfung zu verzeichnen. Neben der Beeinflussung der Übertragungseigenschaften können
die durch die äußere Schutzhülle auf die Lichtleitfaser ausgeübten Zug-, Druck-
und Biegebeanspruchungen lebensdauerverkürzend wirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzhülle als sogenanntes
Sekundärcoating zu schaffen, die die Temperaturabhängigkeit der Übertragungseigenschaften
der Lichtleitfaser und die Lebensdauer verringernden Einflüsse auf die Lichtleitfaser
nicht aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die äußere
Schutzhülle aus mindestens einem Profilkörper besteht, dessen resultierender linearer,
thermischer Ausdehnungskoeffizient und dessen Verhalten gegenüber Zug- und Druckkräften
(lineare Zug- und Drucksteifigkeit) denjenigen der Lichtleitfaser angepaßt ist und
daß die Lichtleitfaser in der Schutzhülle lose geführt ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schutzhülle für eine
Lichtleitfaser oder mehrere Lichtleitfasern erhalten diese eine ihren physikalischen
Eigenschaften angepaßte Umgebung. Dadurch wird die Lichtleitfaser nicht mehr bei
Temperaturänderungen gereckt bzw. gestaucht. Der mit Zug-, Druck- und Biegebeanspruchung
einhergehende microbending-Effekt und die damit verbundene hohe Instabilität der
Übertragungseigenschaften wird weitgehendst vermieden.
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Die bei extrudierten Schutzhüllen festzustellende Längsschrumpfung
und die damit verbundene Stauchung der eingeschlossenen Lichtleitfaser, ein Effekt,
der neben der vorerwähnten
temperaturabhängigen Längenänderung
als Langzeiteffekt zusätzlich auftritt, ist ebenfalls nicht mehr vorhanden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Profilkörper
aus mindestens drei zylindrischen, miteinander verbundenen Profilsträngen mit kreisförmigem
Quersdnjtt gebildet, die derart angeordnet sind, daß ihre Mantelflächen einen allseitig
geschlossenen, durchgehenden Hohlraum bilden, in dem die Lichtleitfaser lose geführt
ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Schutzhülle erhält diese
eine hohe Querdruckbeständigkeit bzw. radiale Druckfestigkeit, da sich die zylindrischen
Profilstränge gegenseitig abstützen. Im Gegensatz dazu wird die extrudierte Hülle
gemäß dem Stand der Technik bei radialen Kräften komprimiert. Darüber hinaus besitzt
die erfindungsgemäße Schutzhülle im zulässigen Dehnungsbereich der Lichtleitfaser
eine gesteigerte Zugfestigkeit; denn der mechanische Aufbau durch die parallel verlaufenden
Profilstränge erlaubt den Einsatz nicht extrudierbarer Materialien zur Herstellung
der Profilstränge, die aber eine höhere Zugfestigkeit besitzen können als Extrusionsmaterialien.
Ein weiterer mit dem erfindungsgemäßen Aufbau verbundener Vorteil besteht darin,
daß die Oberflächenwelligkeit bzw. die Oberflächenrauheit der einzelnen Profilstränge
sicher kontrollierbar ist. Dies kann bei einer extrudierten Hülle nicht geschehen,
da Inhomogenitäten der Innenwandung der Hülle, die beispielsweise durch einen pumpenden
Extruder auftreten können, nach der Extrusion nicht mehr feststellbar sind. In diesem
Zusammenhang ist erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die Oberfläche der Profilstränge
zumindest an der der Lichtleitfaser zugewandten Seite eine möglichst glatte und
homogene Beschaffenheit aufweist. Dies kann beispielsweise durch eine Beschichtung
der Profilstränge mit einer Lackschicht erfolgen, deren Dicke klein gegenüber der
der Profilstränge
ist und die dazu verwendet wird, um eine absolut
homogene und glatte Oberfläche zu schaffen. Es können jedoch auch Profilstränge
verwendet werden, insbesondere, wenn diese aus Metall bestehen, die durch mechanische
Bearbeitung, z. B. Polieren, Läppen oder dergleichen, eine Oberfläche besitzen,
die den Anforderungen entspricht, um mikrobending-Verluste auszuschließen.
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Ein weiterer Nachteil der extrudierten Hüllen besteht darin, daß diese
Kaltflußeigenschaften besitzen, so daß eine Verformung der Hülle durch Anpassung
an die Umgebung nicht zu vermeiden ist. Erfindungsgemäß ausgestaltete Hüllen besitzen
aber wesentlich verringerte Kaltflußeigenschaften, wodurch eine kontrollierbare
Biegbarkeit erreicht wird. Darüber hinaus wird die Wasserdampfdiffusionsgefahr bei
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wesentlich herabgesetzt; denn bei den sich abstützenden
Profilsträngen können beispielsweise nur zwischen den einzelnen Profilsträngen drei
oder vier Spalte, wenn drei oder vier Profilstränge Verwendung finden, auftreten.
Im Vergleich zu einer extrudierten Kunststoffhülle wird somit aber die der Wasserdiffusion
zugängliche Oberfläche wesentlich verringert, da die Materialien der Profilstränge
selbst dicht sind.
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Wesentlich für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzhülle ist
einerseits die erfindungsgemäße Materialwahl, wie sie im vorstehenden beschrieben
ist. Dabei 6o ist ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von 10 / C im Bereich der
erfindungsgemäß vorgesehenen Werte für die Materialien der Profilstränge realisierbar.
Bei einem derart größenordnungsmäßig bemessenen Ausdehnungskoeffizienten kann sich
als resultierender thermischer Ausdehnungskoeffizient für die gesamte Hülle ein
Wert von 5 X 10'6/0 C ergeben. Andererseits muß bei der erfindungsgemäßen Hülle
darauf geachtet werden, daß die Profilstränge eine absolut
glatte
Oberfläche ohne Wellung oder andere Rauheiten bzw.
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Unregelmäßigkeiten aufweist; denn derartige Inhomogenitäten der Oberfläche
würden die Verluste in der Lichtleitfaser erhöhen. Eine derartige Oberfläche kann
einerseits durch eine Coatierung der Profil stränge beispielsweise mittels eines
Lackes erreicht werden, wobei die Schichtdicke klein gegen den Durchmesser des Profilstranges
ist. Andererseits kann aber auch eine hochglatte Oberfläche dadurch erreicht werden,
daß eine mechanische Bearbeitung der Profilstränge erfolgt. Eine Coatierung der
Profilstränge ist insbesondere dann erforderlich, wenn Glasmaterialien als Herstellungsmaterialien
der Profilstränge Verwendung finden.
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Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten zweckmäßigen
Ausführungsformen der Erfindung wird diese nun näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 bis 14 Querschnitte durch unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Schutzhülle mit eingelagerten Lichtleitfaser.
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In Fig. l ist eine erfindungsgemäße Schutzhülle dargestellt, die durch
drei parallel zueinander verlaufende, zylindrische Profilstränge 1 mit kreisförmigem
Querschnitt gebildet wird. Die Profilstränge 1 haben vorteilhafterweise gleiche
Abmessungen. Sie sind dabei erfindungsgemäß derart zueinander angeordnet, daß ihre
Oberflächen allseitig einen Hohlraum 2 einschließen, in dem eine Lichtleitfaser
3 in Längsrichtung der Profilstränge geführt ist. Die Profilstränge 1 sind untereinander
verbunden, so daß sie eine geschlossene Schutzhülle bilden.
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In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des Grundprinzips gemäß
Fig. 1 dargestellt. Dabei wird die Schutzhülle
aus vier gleichartigen
zylindrischen Profilsträngen 4 gebildet, die wiederum einen kreisförmigen Querschnitt
besitzen. Diese Profilstränge 4 schließen wiederum einen Hohlraum 5 ein, in dem
die Lichtleitfaser 3 oder auch mehrere Lichtleitfasern geführt sind. Durch form-
und/oder kraftschlüssiges Verbinden der Profilstränge 4 wird gewährleistet, daß
auf die eingelagerte Lichtleitfaser 3 keine Querkräfte ausgeübt werden. Die Verbindung
der Profilstränge erfolgt erfindungsgemäß zweckmäßigerweise durch Verkleben mittels
einer Klebeschicht 6 oder auch durch Verlöten, falls die Profilstränge 4 aus Metall
bestehen. Dabei bildet die Klebeschicht 6 im vorliegenden Fall eine Art Zwickelausgleich,
so daß die gebildete Schutzhülle kreisförmig ist.
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Wie sich aus Fig. 4 ergibt, kann anstelle einer Klebeschicht auch
ein extrudierter Schlauch 7 vorgesehen sein.
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Andererseits kann diese vom Schlauch 7 gebildete Umhüllung auch durch
Folien oder eine Fadenumwicklung gebildet werden. Eine Kombination aus Verklebung
und Umhüllung ergibt im übrigen einen besonders robusten, die Schutzhülle bildenden
Körper, siehe dazu Fig. 5. In den Figuren 3, 4, 5 sind entsprechende Teile mit denselben
Ziffern bezeichnet. Erfindungsgemäß lassen sich die eine Schutzhülle bildenden Profilsträngel,4
sowohl monofil als auch polyfil aufbauen.Die Profilstränge können sowohl parallel
zueinander verlaufen als auch miteinander verseilt sein. Der in Fig. 6 dargestellte
polyfile Aufbau kann beispielsweise dann zweckmäßig sein, wenn in dem von den Profilsträngen
gebildeten zylindrischen Hohlraum mehr als nur eine Lichtleitfaser untergebracht
werden soll. In Fig. 6 ist ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel mit vier polyfilen
Profilsträngen 8 und vier zentrisch eingelagerten Lichtleitfasern 3 dargestellt.
Dabei sind die Profilstränge untereinander mittels einer zwickelfüllenden Klebeschicht
6 verbunden.
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In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier gleich
großen zylindrischen Profilsträngen 4 mit
kreisförmigem Querschnitt
dargestellt, die ihrerseits eine dünne Schicht 9, beispielsweise eine Lackschicht,
aufweisen, die der Versiegelung der Oberfläche der vorteilhafterweise aus Glas bestehenden
Profile 4 dient und gleichzeitig als Haftvermittler für die Verklebung der Profilstränge
untereinander genutzt werden kann. Diese Schicht 9, deren Dicke klein gegenüber
dem Durchmesser des Profilstranges 4 ist, bedingt eine absolut glatte homogene Oberfläche
der Profilstränge und verhindert bei der Verwendung von Glas als Material der Profilstränge
das Auftreten von Übertragungsverlusten.
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Der Durchmesser der Profilstränge 1, 4 wird erfindungsgemäß so gewählt,
daß der Durchmesser einschließlich der Oberflächenschicht 9 im Falle der Verwendung
von drei gleich großen zylindrischen Profilsträngen mit kreisförmigem Querschnitt
mindestens gleich dem 6,5-fachen Durchmesser der Lichtleitfaser 3 ist, gemessen
über den gesamten Durchmesser der Lichtleitfaser einschließlich einer eventuell
vorhandenen Schicht 10, dem sogenannten Primärcoating, und daß im Falle von vier
Profilsträngen 4 das Durchmesserverhältnis mindestens 2,5 : 1 beträgt.
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Wie sich aus Fig. 8 ergibt, kann die Schutzhülle auch aus einem Profilkörper
gebildet werden, der selbst als konzentrischer Hohlzylirder ausgebildet ist. Dieser
konzentrische Hohlzylinder kann selbst wieder aus mehreren zylindrischen Elementen
aufgebaut sein. Als Material kann Glas, Metall oder eine Metallegierung dienen.
Der hohlzylindrische Profilkörper ii umfaßt dabei die in ihm geführte Lichtleitfaser
3 und ist außen mit einer Kunststoffhülle 12 umgeben.
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Wie bereits erwähnt, können die einzelnen Profilstränge, die den Profilkörper
bilden, erfindungsgemäß aus einem
Metall oder einer Metallegierung
bestehen. Dabei ist insbesondere eine Eisen-Nickel-Legierung vorteilhaft. In den
Fig. 6, 7, 8 sind untereinander entsprechende Teile, die wiederum Teilen in den
Fig. 1 bis 5 entsprechen, mit denselben Bezugsziffern versehen.
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Wie sich aus Fig. 9 ergibt, können die einzelnen Lichtleitfasern 3
auch getrennt untergebracht werden. Diese getrennte Unterbringung erfolgt beispielsweise
in konzentrischer, symmetrischer Anordnung. Dabei ist ein Zentralelement 13 vorhanden,
das von sechs gleich großen, im Querschnitt kreisförmigen Profilsträngen 14 umgeben
wird. Diese Profilstränge 14 bilden miteinander und zusammen mit dem Zentralelement
13 allseitig geschlossene, Hohlräume 2, in denen die Lichtleitfasern 3 lose geführt
werden. Das Zentralelement 13 entspricht in seiner Größe und der Materialwahl den
Profilsträngen 14. Diese können entweder aus Glas oder Metall bestehen und dabei
insbesondere aus einer Eisen-Nickel-Legierung.
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In Fig. 10 sind gleich große zylindrische, im Querschnitt kreisförmige
Profilstränge 15 derart in zwei Ebenen parallel zueinander angeordnet, daß mit Ausnahme
der äußeren, am Rand liegenden Profilstränge jeder Profilstrang zusammen mit den
benachbarten Profilsträngen je zwei bzw. drei vollständig geschlossene längsverlaufende
Hohlräume 2 bildet, die ihrerseits ebenfalls in zwei Ebenen liegen, in die die Lichtleitfasern
3 wiederum lose eingelagert sind.
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Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, -kann der von den Profilsträngen
gebildete Profilkörper entweder mit einer Klebeschicht 6 verklebt sein oder- aber
mit einer Hülle 7 umschlossen sein. Auch ist eine Kombination aus Klebeschicht und
Hülle möglich.
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In Fig. 11 weist ein Profilkörper 16 über seinem Umfang verteilt Ausnehmungen
17 auf, die in Längsrichtung des Profilkörpers 14 verlaufen, der strangförmig ausgebildet
ist. Dabei können die Ausnehmungen 17 etwa achsparallel oder schraubenlinienförmig
im Profilkörper 16 ausgebildet sein,und die Lichtleitfasern 3 sind in den Ausnehmungen
wiederum lose eingelagert. Die Ausnehmungen 17 werden durch eine konzentrische Hülle
18 aus Metall oder aus Kunststoff oder durch eine Folienwicklung nach außen abgedeckt.
Der Profilkörper 16 kann beispielsweise aus Glas oder Metall, insbesondere einer
Metallegierung, bestehen.
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In Fig. 12 ist ein wellenförmig ausgebildeter Profilkörper 19 dargestellt,
in dessen parallel zueinander verlaufenden Wellentälern 20, 21 Lichtleitfasern 3
lose eingelagert werden können. Je nach Ausnutzung des Profilkörpers 19 werden die
Wellentäler 20 und/oder 21 mit einer Kunststoff- oder Metallschicht 22 und/oder
23 abgedeckt, die ihrerseits mit dem Profilkörper 19 am Ort der Berührungslinie
bzw. -flächen mittels eines Klebers 27 kraftschlüssig verbunden sind.
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In Fig. 13 ist eine die Lichtleitfasern 3 umgebende Schutzhülle dargestellt,
die aus einem kammartigen Profilkörper 24 aus Glas, Metall oder einer Metallegierung
mit parallel verlaufenden Ausnehmungen 25 und einer ebenen Schicht 26 aus Glas,
Metall oder Kunststoff gebildet wird. Der kammartige Profilkörper 24 und die Deckschicht
26 werden mittels eines Klebers 27 kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Fig. 14 zeigt eine aus Glas, Metall oder einer Metallegierung bestehende,
die Lichtleitfasern 3 allseitig lose umschließende Schutzhülle, die aus zwei gleichartigen
ebenen Profilkörpern gebildet, die abwechselnd aus gewölbten Flächen 28 und ebenen
Flächen 29 bestehen,und die so zusammengefügt
sind, daß die ebenen
Flächen 29 aufeinander treffen. Die kraftschlüssige Verbindung der Profilkörperhälften
erfolgt am Ort der ebenen Profilkörperstreifen 29 mittels eines Klebers 31.
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Es sei hier nochmals ausdrücklich erwähnt, daß die verwendeten Materialien
für die Herstellung der Profilkörper bzw. Profilstränge einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Lichtleitfaser angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der
im Bereich von 1 x 1O6/0 C liegen kann. Dabei ergibt sich einerseits die Verwendung
von Glas als Herstellungsmaterial für die Profilstränge bzw. die Profilkörper und
andererseits die Verwendung einer Metallegierung, insbesondere einer Eisen-Nickel-Legierung
mit einem Legierungsverhältnis von 64 % Eisen und 36 % Nickel, bekannt unter der
Bezeichnung Invarstahl.