DE3035879A1 - Lichtwellenleiter fuer die optische informationsuebertragung - Google Patents
Lichtwellenleiter fuer die optische informationsuebertragungInfo
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Description
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- Lichtwellenleiter für die optische Informationsüber-
- tragung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lichtwellenleiter für die optische Informationsübertragung in Form einer Kern- Mantel -Glasfaser.
- Ein Lichtwellenleiter der eingangs genannten Art sollte folgende Eigenschaften aufweisen und/oder folgenden Anforderungen genügen: Die Dämpfung soll bei einer numerischen Apertur von mindestens 0,4, höchstens 20 dB/km betragen; er soll einen hohen Wirkungsgrad bei der Ankopplung an kommerzielle Leuchtdioden (LED) aufweisen; im Bereich von - 600C bis + 700C soll eine Zusatzdämpfung von Temperaturänderungen höchstens 0,5 dB/km betragen; die Zusatzdämpfung beim Verkabeln soll niedrig sein; er soll eine einfache und billige Verbindungstechnik ermöglichen; er soll eine hohe mechanische Zugfestigkeit aufweisen, insbesondere mehr als 500 N/mm2 bei einer Faserlänge von mehr als 2 km.
- Die zur Zeit kommerziell erhältlichen Fasern erfüllen nur teilweise die oben aufgeführten Anforderungen. Bei der optischen Informationsübertragung, insbesondere bei nicht postalischen Anwendungen, werden deshalb, abhängig von den Kenndaten des Übertragungsystems unterschiedliche Fasertypen eingesetzt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Lichtwellenleiter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem alle vorstehend genannten Eigenschaften und alle genannten Anforderungen erfüllt worden sind.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Faser eine Dickkernfaser mit einem Kern aus einem Blei glas von einem Durchmesser von mehr als 120/um und mit einem ebenfalls aus Bleiglas bestehenden Mantel einer geringen Stärke von höchstens 20/um besteht.
- Bevorzugterweise beträgt der Durchmesser des Kerns etwa 230/um und die Stärke des Mantels etwa 5 /um.
- Als besonders vorteilhaft für den Kern hat sich ein Bleiglas erwiesen, wie es aus Anspruch 3 hervorgeht.
- Insbesondere im letztgenannten Fall wird für den Mantel zweckmäßigerweise ein Bleiglas verwendet, wie es aus Anspruch 4 hervorgeht.
- Zum Schutz des Glases ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines vorgeschlagenen Lichtwellenleiters so ausgebildet, wie es in den Ansprüchen 5 oder 6 angegeben ist.
- Ein besonderer Vorteil eines vorgeschlagenen Lichtwellenleiters liegt darin, daß hohe Druckspannungen von mindestens 200 mm/2 auf der Faseroberfläche erreicht werden können, wodurch die Wachstumsgeschwindigkeit von Mikrorissen gemindert werden kann. Eine derartig hohe Druckspannung kann beispielsweise bei der Verwendung der Gläser nach den Ansprüchen 3 und 4 erreicht werden.
- Die hohe erreichbare Druckspannung trägt erheblich zu einer hohen mechanischen Zugfestigkeit bei.
- Die übrigen der eingangs genannten Eigenschaften und Anforderungen werden im wesentlichen durch das Bleiglas und durch die Abmessungen des Kerns und des Mantels erfüllt.
- Da somit ein Lichtwellenleiter geschaffen worden ist, der alle eingangs genannten Eigenschaften und Anforderungen erfüllt, ist es nunmehr möglich, optische Informationsübertragungssysteme unabhängig von deren Kenndaten mit einem einzigen Lichtwellenleitertyp, nämlich dem vorgeschlagenen Lichtwellenleiter aufzubauen. Dies ist ein ganz wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung.
- Die Erfindung wird anhand der Figur in der nun folgenden Beschreibung, aus der insbesondere auch ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren hervorgeht, näher beschrieben.
- Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch ein Stück einer vorgeschlagenen Dickkernfaser.
- In der in der Figur dargestellten Dickkernfaser besteht der Kern 1 vorzugsweise aus einem Blei glas aus folgendem Zusammensetzungsbereich: 40 - 60 Gew.- Siliziumdioxid 40 - 60 Gew.- Bleioxid 0 - 10 Gew.- Natriumoxid 0 - 10 Gew.-% Kaliumoxid 0 - 0,1 Gew.-% Arsenoxid.
- Der Erweichungspunkt eines Glases aus diesem Bereich liegt je nach Zusammensetzung zwischen 3800C und 410°C.
- Der Mantel 2 der dargestellten Dickkernfaser besteht vorzugsweise aus einem Glas aus folgendem Zusammensetzungsbereich: 50 - 70 Gew.-% Siliziumdioxid 20 - 40 Gew.-°m Bleioxid 0 - 10 Gew.-% Natriumoxid 0 - 10 Gew.-% Kaliumoxid 0 - 0,1 Gew,-% Arsenoxid.
- Die Herstellung der in der Figur dargestellten Dickkernfaser erfolgt vorteilhafterweise nach dem Doppeltiegelverfahren, wie es beispielsweise in der DE-OS 26 54 208 (VPA 76 P 7157) beschrieben worden ist. Der Doppeltiegel kann aus Pt/Rh oder auch aus Quarzglas bestehen.
- Ein Glas für den Kern 1 wird aus hochreinen Ausgangssubstanzen (Summe der Verunreinigungen an Ubergangsmetallionen Fe, Cu, Cr, usw. < 0,3 ppm), beispielsweise SiO2, PbO, Na2CO3, K2C03, As203, in einem Quarzglastiegel bei einer Temperatur von 1050 - 1150°C erschmolzen. Als Schmelzatmosphäre wird hochreiner Sauerstoff mit einem Wassergehalt von 1 ppmV verwendet. Nach Erreichen einer blasenfreien und homogenen Schmelze werden Glasstäbe ( = 4 mm bis 20 mm) aus dem Tiegel abgezogen, wie es beispielsweise in der DE-OS 28 42 586 (VPA 78 P 7164) beschrieben worden ist.
- Ein Glas für den Mantel 2 kann im Quarzglastiegel oder auch im Pt-Tiegel unter oxidierenden Bedingungen bei einer Temperatur von 1200 - 13000C erschmolzen werden.
- Die Ausgangssubstanzen für das Mantelglas können einen Verunreinigungspegel an Übergangsmetallionen von einigen ppm besitzen. Nach dem Homogenisieren und Läutern der Schmelze werden Stäbe von 4 mm bis 20 mm Dicke aus dem Tiegel gezogen. Der Erweichungspunkt eines Mantelglases aus dem oben angegebenen.Bereich liegt je nach Zusammensetzung zwischen 420 und 460°C. Die Stäbe aus dem Kernglas werden im Innentiegel, die Stäbe aus dem Mantelglas im Außentiegel bei einer Temperatur von etwa 11000C eingeschmolzen. Für Fasern mit niedrigen Dämpfungswerten sind die Herstellungsbedingungen zu beachten, die beispielsweise in der DE-OS 26 54 083 (VPA 76 P 7156 BRD) veröffentlicht worden sind. Neben dem dort beschriebenen Doppeltiegel aus einer Pt/Rh-Legierung haben sich auch Tiegel aus. Quarzglas hervorragend bewährt.
- Unmittelbar nach dem Verlassen der Ziehdüse wird die Faser zum Schutz vor mechanischer Beschädigung mit einer 80/um - 200/um dicken Schutzschicht aus Polysiloxan beschichtet. Der E-Modul der Schutzschicht sollte zwischen 10 und 100 N/mm2 betragen. Diese Schutzschicht hat auch die Aufgabe als Polsterschicht zu wirken und die Faser beim anschließenden Verkabelungsprozeß (Auftragen einer lose oder festsitzenden Kunststoffhülle durch Extrusion) und Verseilvorgang (Zusammenfassen mehrerer Adern mit zugentlasenden Elementen zum Lichtleitkabel) vor Mikrobiegeverlusten zu schützen.
- Um. eine optimale Ankopplung an kommerzielle preisgünstige LED's mit langer Lebensdauer zu erreichen, sollte der Faserkern möglichst groß (0KNV LED) und der Fasermantel nur so groß gewählt werden, damit eine Führung der in den Kern eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung ohne Verluste gewährleistet ist. Lichtleitfasern aus Bleiglas (Zusammensetzung der Gläser siehe oben) mit einem Faserkerndurchmesser von 230/um und einer Manteldicke von 5/um zeigten bei einer numerischen Apertur von 0.4 Dämpfungswerte Von 19 dB/km bei einer Wellenlänge von A= 850 nm.
- Ein weiterer Vorteil dieser Dickkernfasern betrifft die mechanische Zugfestigkeit und das Langzeitverhalten. Aus der Literatur ist bekannt, daß durch die Wahl geeigneter Gläser für den Faserkern und Fasermantel und bei geeigneter Fasergeometrie auf der Faseroberfläche eine Druckspannung erzeugt werden kann (J.Am. Ceram. Soc. 52 (1969) S. 661). Bei Zugbeanspruchung, z.B. beim Verlegen des Kabels, muß diese Druckspannung erst kompensiert werden, bevor die Faser mechanisch belastet wird. In der Praxis versucht man deshalb eine möglichst hohe Druckspannung auf der Faseroberfläche zu erzeugen.
- Dickkernfasern mit einem Faserkern von 230/um und einer Mantel stärke von 10/um mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten für das Kernglas von X = 112 x 10 7°C 1 und für das Mantelglas von &C = 85 x 10 70C zeigten eine 2 Zugfestigkeit von >500 N/mm bei einer Länge von > 2 km (Dehnungsgeschwindigkeit 5 %/min). Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß die Druckspannung auf der Oberfläche der Dickkernfaser ca. 400 - 500 N/mm2 beträgt.
- Diese Druckspannung der Faseroberfläche ist besonders für das Langzeitverhalten der Faser von entscheidender Bedeutung. Nach dem Verkabeln und Verlegen der Lichtleitkabel ist die Faser in vielen Fällen über mehrere hundert Jahre einer permanenten Zugspannung ausgesetzt, die bis zu einigen hundert N/mm2 betragen kann. Unter diesen Bedingungen und unter dem Einfluß von Wasser kommt es - bei Abwesenheit der Druckspannung - zu einem langsamen Wachstum der auf der Faseroberfläche befindlichen Mikrorissen; und schließlich zum Bruch der Faser.
- Bei einer Faser mit Druckspannung auf der Faseroberfläche kann diese langsame Rißausbreitung verhindert werden, wenn die permanente Zugkraft unterhalb dem Wert der Druckspannung liegt. Die vorgeschlagene Dickkernfaser wird deshalb im Vergleich zu den sonst üblichen Lichtleitfasern ein deutlich verbessertes Langzeitverhalten besitzen Neben günstigen optischen und mechanischen Eigenschaften besitzen die Dickkernfasern auch Vorteile bei der Verbindungstechnik. Während bei den sonst üblichen Lichtleitfasern (0K = 60 /um. gesamt = 120/um) beim Spleiß, Ankoppeln an Lichtquellen und bei lösbaren Steckverbindungen aufgrund des kleinen Kerndurchmessers eine hohe Justiergenauigkeit von einigen /um erforderlich ist, wird bei Verwendung der.vorgeschlagenen Dickkernfaser die Verbindungstechnik wesentlich vereinfacht; die Justiergenauigkeit ist unkritischer, der Aufbau der Stecker wird beträchtlich vereinfacht und damit können auch die Kosten pro Verbindung erheblich reduziert werden.
- Oben bedeuten: Durchmesser = - Durchmesser des Faserkerns LED = Durchmesser der LED gesamt = Gesamtdurchmesser der Faser > = etwa 6 Patentansprüche 1 Figur Leerseite
Claims (6)
- Patentansprüche 1. Lichtwellenleiter für die optische Informationsübertragung in Form einer Kern-Mantel-Glasfaser, bei der ein zylinderförmiger Kern, der von einem Mantel aus einem Glas mit niedrigem Brechungsindex umgeben ist, vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Faser eine Dickkernfaser mit einem Kern aus einem Bleiglas von einem Durchmesser von mehr als 120um und mit einem ebenfalls aus Bleiglas bestehenden Mantel einer geringen Stärke von höchstens 20/um besteht.
- 2. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, d a d u r c h g p k e n n z e i c h n e t , daß der Durchmesser des Kerns etwa 230 und die Stärke des Mantels etwa 5/um beträgt.
- 3. Lichtwellenieiter nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kern aus einem Bleiglas besteht, das 40 - 60 Gew.-% Siliziumdioxid 40 - 60 Gew.-°,0 Bleioxid O - 10 Gew.-% Natriumoxid O - 10 Gew.-% Kaliumoxid 0 -0,1 Gew.-% Arsenoxid enthält.
- 4. Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mantel aus einem Bleiglas besteht, das 50 - 70 Gew.-% Siliziumdioxid 20 - 40 Gew.-% Bleioxid 0 - 10 Gew.-% Natriumoxid 0 - 10 Gew.- Kaliumoxid 0 - 0,1Gew.-% Arsentrioxid enthält.
- 5. Lichtwellenliter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er mit einer Schutzschicht aus Kunststoff umgeben ist, deren Elastizitätsmodul kleiner als 100 N/mm2 ist.
- 6. Lichtwellenleiter nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kunststoff aus Polysiloxan besteht.
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