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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kunststofflichtwellenleiter und
ein Kunststofflichtwellenleiter-Kabel, die durch eine hohe Übertragungsleistung
und eine große
Bandbreite gekennzeichnet sind und sich gut für optische Kommunikationsmittel
eignen, sowie auf eine optische Übertragungsvorrichtung.
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STAND DER
TECHNIK
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Auf
dem Gebiet der Kurzstreckenkommunikation wie einem geräteinternen,
geräteübergreifenden Übertragungsweg
für Autos
oder Audiogeräte
werden derzeit als Informationsübertragungsmittel
Kunststofflichtwellenleiter (KLWL) der Stufenindex-Bauart (SI-Bauart)
verwendet. In den letzten Jahren ist mit dem zunehmenden Informationsgehalt
für die Übertragung
der Bedarf gewachsen, dass die KLWL der SI-Bauart eine noch größere Bandbreite haben sollten.
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Um
dieses Erfordernis nach einer größeren Bandbreite
zu erfüllen,
ist für
den Kern darin ein mehrlagiger Aufbau eingeführt worden, bei dem eine Vielzahl
von Kernlagen mit verschiedenen Brechzahlen konzentrisch ausgebildet
ist.
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Die
EP 0 844 501 A2 offenbart,
dass wenn die Anzahl der Lagen im Kern zur Erleichterung der Fertigung
bei bloß zwei
gehalten und der Kern nur doppellagig ausgeführt wird, dieser Aufbau für einen
KLWL mit geringem Übertragungsverlust
sowie einer großen
Bandbreite sorgen kann, wenn der Kerndurchmesser und die Brechzahldifferenz
zwischen den Kernlagen und dem Mantel jeweils so eingestellt werden,
dass sie bestimmte Bedingungen erfüllen. Diese bestimmten Bedingungen
werden im Folgenden beschrieben. In einem Kunststofflichtwellenleiter,
der einen Mantel, einen innerhalb des Mantels gelegenen ersten Kern
und einen innerhalb des ersten Kerns gelegenen zweiten Kern hat,
beträgt
das Verhältnis
(X = D2/D1) des zweiten Kerndurchmessers (D2) zum ersten Kerndurchmesser
(D1) 0,3 ≤ X ≤ 0,95 und
beträgt
das Verhältnis
(Y = Δ2/Δ1) der Brechzahldifferenz
(Δ2) zwischen
dem ersten Kern und dem Mantel zur Brechzahldifferenz (Δ1) zwischen dem
zweiten Kern und dem Mantel 0,4 ≤ Y ≤ 0,95, wobei
außerdem
die Summe (X + Y) der beiden oben genannten Verhältnisse X + Y ≤ 1,9 beträgt. Hinsichtlich
der Brechzahldifferenz (Δ1)
zwischen dem zweiten Kern und dem Mantel ist auch beschrieben, dass
ihre Untergrenze größer oder
gleich 0,01 und ihre Obergrenze kleiner oder gleich 0,1 ist.
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Andererseits
ist es für
einen optischen Übertragungsweg
wie einen Link unerlässlich,
durch diesen hindurch Licht mit einer hohen Übertragungsleistung zu einem
Lichtempfänger
zu übertragen.
Allerdings gelingt es dem in der
EP 0 844 501 A2 offenbarten Lichtwellenleiter
aufgrund einer unpassenden Einstellung der Lagendicke und der Brechzahlen
für die
jeweiligen Lagen darin nicht, das Licht mit ausreichend hoher Leistung zu übertragen.
Darüber
hinaus wird der Lichtwellenleiter durch ein Verfahren angefertigt,
das die Schritte umfasst: Bilden einer kreisförmigen Außenlage und danach Einführen des
Materials einer kreisförmigen
Innenlage in die kreis förmige
Außenlage
und Durchführen,
während
diese rotiert werden, einer Polymerisation des Materials der kreisförmigen Innenlage,
sodass zwischen den beiden Kernlagen und zwischen einer Kernlage und
dem Mantel jeweils eine Lage (eine Mischlage) aus einem Polymergemisch
gebildet wird, die eine Dicke von beinahe mehr als 15 μm hat. Wenn
so dicke Mischlagen wie oben beschrieben gebildet werden, sind die Lichtstreuverluste
recht hoch, was zu dem Problem eines großen Übertragungsverlustes führt. Da
die Lichtstreuverluste in der Mischlage auch die Übertragungsbandbreite
beeinträchtigen,
gibt es Fälle,
bei denen das dünner
Machen der Mischlage in diesem Lichtwellenleiter zu einer Senkung
der Übertragungsbandbreite
führt. Wenn
außerdem
in einer optischen Übertragungsvorrichtung,
die diesen Lichtwellenleiter nutzt, die Anregungs-NA (NA: numerische
Apertur) der Lichtquelle vergrößert wird,
um die in den Lichtquellenleiter eingekoppelte Lichteinfallsmenge
und die Übertragungsleistung
zu erhöhen,
wird die Übertragungsbandbreite
des Lichtwellenleiters kleiner, was zu dem Problem führen kann,
das die Signale nicht mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden können.
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Um
diesen Punkt weiter zu untersuchen, wurden die Übertragungsbandbreite und die Übertragungsleistung
eines KLWL, der durch das gleiche Rotationspolymerisationsverfahren
angefertigt wurde, wie es in der
EP 0 844 501 A2 beschrieben ist, mit denen
eines KLWL verglichen, der durch das Mehrkomponenten-Spinnverfahren
angefertigt wurde. In den beiden Fällen dieser KLWL wurden der
Außendurchmesser
und die Manteldicke auf 750 μm
bzw. 10 μm
eingestellt und betrug X = 0,837 und Y = 0,7. Die Untersuchung der
Querschnitte dieser KLWL unter einem Mikroskop ergab jedoch, dass
sich, während
sich in dem durch das Rotationspolymerisationsverfahren angefertigten KLWL
um die Grenzfläche
zwischen den Lagen des ersten Kerns und des zweiten Kerns herum
eine 21 μm
dicke Mischlage gebildet hatte, in dem durch das Mehrkomponenten-Spinnverfahren
angefertigten KLWL keine Mischlage fand. Als die Übertragungsbandbreiten
dieser KLWL bei einer Übertragungsstrecke
von 50 m unter der Bedingung einer „All Mode"-Anregung gemessen wurden, betrog die
Bandbreite für
den durch das Rotationspolymerisationsverfahren angefertigten KLWL
710 MHz, während
die Bandbreite für
den durch das Mehrkomponenten-Spinnverfahren angefertigten KLWL
344 MHz betrug. Darüber
hinaus wurde mittels einer Lichtquelle mit einer Anregungs-NA von
0,6 die relative Übertragungsleistung
der oben genannten KLWL mit dem ersten Kern und dem zweiten Kern
gegenüber
einem Referenz-KLWL gemessen, für
den ein KLWL der SI-Bauart mit einem einlagigen Kern verwendet wurde,
in dem als Kernmaterial und Mantelmaterial jeweils das Innenkernlagenmaterial
und das Mantelmaterial des oben genannten KLWL genutzt wurden, dessen
Außendurchmesser
und Manteldicke auf 750 μm
bzw. 10 μm
eingestellt wurden und für
dessen Übertragungsleistung
ein Wert von 1 genommen wurde. Die Übertragungsleistung des durch
das Rotationspolymerisationsverfahren angefertigten KLWL betrug
dabei 0,65. Im Gegensatz dazu betrug die Übertragungsleistung des durch
das Mehrkomponenten-Spinnverfahren angefertigten KLWL 0,81.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Kunststofflichtwellenleiter und ein
Kunststofflichtwellenleiter-Kabel mit hoher Übertragungsleistung und großer Bandbreite
zur Verfügung
zu stellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Übertragungsvorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die Signale mit hoher Geschwindigkeit übertragen
kann.
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Die
obige Aufgabe wird gelöst,
indem für
einen Kunststofflichtwellenleiter, wie er in Anspruch 1 oder 3 definiert
ist, ein Kunststofflichtwellenleiter-Kabel, wie es in Anspruch 5
definiert ist, und eine optische Übertragungsvorrichtung gesorgt
wird, wie sie in Anspruch 6 oder 7 definiert ist.
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Darüber hinaus
wird die Verwendung der oben genannten Produkte zur optischen Übertragung
innerhalb einer Länge
von 20 m beansprucht. Siehe hierzu die Ansprüche 8 bis 10.
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Gemäß der Erfindung
kann für
einen KLWL mit einem doppellagigen Kern gesorgt werden, der eine hohe Übertragungsleistung
und eine große
Bandbreite hat. Darüber
hinaus kann für
eine optische Übertragungsvorrichtung
gesorgt werden, die dazu imstande ist, Signale mit hoher Geschwindigkeit
zu übertragen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine durch Simulation ermittelte Kurve, die die relative Bandbreite
im Vergleich zum Kernradiusverhältnis
X für ein
Brechzahldifferenzverhältnis
Y von 0,5 zeigt.
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2 ist
eine durch Simulation ermittelte Kurve, die die relative Bandbreite
im Vergleich zum Kernradiusverhältnis
X für ein
Brechzahldifferenzverhältnis
Y von 0,6 zeigt.
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3 ist
eine durch Simulation ermittelte Kurve, die die relative Bandbreite
im Vergleich zum Kernradiusverhältnis
X für ein
Brechzahldifferenzverhältnis
Y von 0,4 zeigt.
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4 zeigt
schematisch einen Bereich für
das Kernradiusverhältnis
X und das Brechzahldifferenzverhältnis
Y des KLWL.
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5 zeigt
im Schnitt ein Beispiel einer Mehrkomponenten-Spinndüse, die
zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Kunststofflichtwellenleiters
verwendet wird.
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6 ist
eine durch Simulation ermittelte Kurve, die die relative Bandbreite
im Vergleich zum Kernradiusverhältnis
X für ein
Brechzahldifferenzverhältnis
Y von 0,35 zeigt.
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7 zeigt
schematisch einen bevorzugten Bereich für das Kernradiusverhältnis X
und das Brechzahldifferenzverhältnis
Y des KLWL.
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BESTE AUSFÜHRUNGSART
DER ERFINDUNG
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Ein
erfindungsgemäßer KLWL
hat einen ersten Kern, einen zweiten Kern mit einer vom ersten Kern verschiedenen
Brechzahl, der sich konzentrisch auf der Außenseite des ersten Kerns befindet,
und einen Mantel, der sich konzentrisch auf der Außenseite
des zweiten Kerns befindet. (Ein solcher Kern, der im Aufbau einen
ersten Kern und einen zweiten Kern hat, wird im Folgenden als „doppellagiger
Kern" bezeichnet.)
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Um
die Streuverluste des KLWL zu verringern, ist es vorzuziehen, dass
der erste Kern und der zweite Kern jeweils aus einer Polymerart
bestehen, und ist es noch mehr vorzuziehen, dass zusätzlich auch
der Mantel aus der einen Polymerart besteht. Bei dieser Gelegenheit
kann zu dem Polymer eine geringe Menge einer bekannten niedermolekularen
Verbindung hinzugeben werden, um so das Brechzahlprofil ohne übermäßigen Anstieg
der Streuverluste zu steuern. Bei dem erfindungsgemäßen KLWL
darf sich jeweils zwischen den Lagen des ersten Kerns und des zweiten
Kerns und zwischen den Lagen des zweiten Kerns und des Mantels eine
Mischlage aus einem Polymergemisch bilden, das aus Polymeren jeweils
benachbarter Lagen besteht. Um die Streuverluste des KLWL zu verringern,
ist es dennoch um so besser, je dünner die Mischlage ist. Ihre Dicke
beträgt
nicht mehr als 10 μm,
vorzugsweise nicht mehr als 3 μm
und besser noch nicht mehr als 1 μm. In
Anbetracht der Streuverlustverringerung im KLWL ist es besonders
zu bevorzugen, wenn sich überhaupt keine
Mischlage bildet.
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1 bis 3 zeigen
die Simulationsergebnisse für
einen KLWL mit einem doppellagigen Kern, die die Abhängigkeiten
der relativen Bandbreite von dem Kernradiusverhältnis X für Brechzahldifferenzverhältnisse
Y von jeweils 0,5, 0,6 und 0,4 darstellen, wobei der Wert der Bandbreite
jeweils durch Berechnungen mit unterschiedlichem Kernradiusverhältnis X
und Brechzahldifferenzverhältnis
Y ermittelt wurde. Diese Simulation erfolgte für einen KLWL, in dem sich weder
zwischen den Lagen des ersten Kerns und des zweiten Kerns noch zwischen
den Lagen des zweiten Kerns und des Mantels eine Mischlage bildete.
Die relative Bandbreite in 1 bis 3 ist
hierbei normalisiert, wobei für
den Maximalwert der Bandbreite für
Y = 0,5 der Wert 1 genommen wurde. Für die obige Simulation wurde
die in „Multimode
theory of graded-core fibers",
The Bell System Technical Journal, Bd. 52, Nr. 9, S. 1563-1578 (1973)
von D. Gloge und E. A. J. Marcetili beschriebene Technik eingesetzt.
Wenn die relative Bandbreite des KLWL nun im Fall eines digitalen Übertragungssystems, das
für einen
KLWL mit einer relativen Bandbreite von 1 ausgelegt ist, kleiner
als 1 wird, kann es zu Impulsverzerrungen und zu Störungen zwischen
benachbarten Codes kommen. Wenn die vom KLWL verursachte zulässige Impulsverzerrung
(Änderung
der Anstiegszeit) in diesem Übertragungssystem
bis zum 1,4-fachen reicht, muss die geforderte Bandbreite des KLWL
größer oder
gleich 1/1,4 (≈ 0,7)
sein. In diesem Fall können daher
relative Bandbreiten von 0,7 oder mehr (mit anderen Worten der Bereich,
in dem die Bandbreite mindestens 70 % der maximalen Bandbreite beträgt) als
geeignete Bandbreite angesehen werden. Wie in 1 bis 3 zu
erkennen ist, liegt der Bereich X für Y = 0,5 bei 0,89 oder weniger,
für Y =
0,6 bei 0,86 oder weniger und für
Y = 0,4 bei nicht mehr als 0,34 und bei nicht weniger als 0,52 und
nicht mehr als 0,91.
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Als
nächstes
wird der Bereich für
das Kernradiusverhältnis
X und das Brechzahldifferenzverhältnis
Y unter dem Gesichtspunkt der optischen Übertragungsleistung beschrieben.
In einer optischen Übertragungsvorrichtung,
die an einem Ende eines KLWL eine Lichtquelle und an seinem anderen
Ende einen optischen Empfänger
umfasst, wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit einer großen Anregungs-NA
(NA für
Emissionslicht) eingesetzt, um die Lichteinfallsmenge auf dem KLWL
zu erhöhen.
Die Anregungs-NA der Lichtquelle beträgt vorzugsweise 0,3 oder mehr
und besser noch 0,4 oder mehr. Als Lichtquelle kann jede bekannte
Lichtquelle wie eine Laserdiode (LD) eine Leuchtdiode (LED) oder
dergleichen verwendet werden, wobei jedoch vorzugsweise eine kostengünstige,
massengefertigte LED verwendet wird. Hat der KLWL eine kleine Querschnittsfläche für den Innenlagenkern,
wird dabei die Lichtmenge gering, die eingekoppelt werden kann.
Folglich verkürzt
sich für
den optischen Übertragungsweg
entweder die mögliche Übertragungsstrecke
oder wird, wenn ein KLWL mit der gleichen Länge genutzt wird, eine saubere
Erkennung der empfangenen Signale schwierig, sodass in der optischen Übertragungsvorrichtung
die übertragbare
Signalgeschwindigkeit sinkt. Deswegen wird das Kernradiusverhältnis X
auf nicht weniger als 0,5 und vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5
und 0,78 oder nicht weniger als 0,82 eingestellt. Um eine noch höhere Übertragungsleistung
zu erzielen, wird das Kernradiusverhältnis X ferner auf nicht weniger
als 0,76 und vorzugsweise nicht weniger als 0,775 eingestellt.
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Wenn
ein KLWL mit einem doppellagigen Kern einer „All Mode"-Anregung unterzogen wird, enthält das sich
innerhalb des Kerns fortpflanzende Licht Strahlen, die nur durch
den Innenlagenkern verlaufen, und Strahlen, die sowohl durch den
Außenlagenkern
und als auch den Innenlagenkern laufen. In Wirklichkeit pflanzen sich
die Strahlen innerhalb des Kerns fort, während sie von der Grenzfläche zwischen
dem Innenlagenkern und dem Außenlagenkern
und der Grenzfläche
zwischen dem Außenlagenkern
und dem Mantel reflektiert werden. Da als Mantelmaterial aus Kostengründen häufig ein
Material mit relativ schlechter Veredelung genutzt wird und das
Mantelmaterial daher normalerweise eine geringere Durchlässigkeit
als das Kernmaterial hat, erfahren die Strahlen, die von der Grenzfläche zwischen
dem Mantel und dem Kern total reflektiert werden, aufgrund der Grenzflächenfehlpassung
einen größeren Verlust
als die Strahlen, die von der Grenzfläche zwischen dem Innenlagenkern
und dem Außen lagenkern
total reflektiert werden. Damit sich mehr Strahlen nur durch den
Innenlagenkern bewegen und die Übertragungsleistung
gesteigert wird, wird das Brechzahldifferenzverhältnis Y in dem KLWL daher auf
nicht mehr als 0,7 und vorzugsweise im Bereich von nicht mehr 0,33 oder
zwischen 0,37 und 0,7 eingestellt. Um eine noch höhere Übertragungsleistung
zu erzielen, wird das Brechzahldifferenzverhältnis X auf nicht mehr als
0,4 oder weniger als 0,4 eingestellt.
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Die
Brechzahldifferenz n1 zwischen dem ersten
Kern und dem Mantel unterliegt keinen besonderen Beschränkungen.
Allerdings wird die numerische Apertur des KLWL vorzugsweise auf
nicht mehr als 0,4 eingestellt, um eine passende Bandbreitenleistung
sicherzustellen, sodass die Brechzahldifferenz n1 vorzugsweise
im Bereich von nicht mehr als 0,056 eingestellt wird.
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4 zeigt
einen Bereich für
das Kernradiusverhältnis
X und das Brechzahldifferenzverhältnis
Y. Der in 4 gezeigte Bereich ist ein Bereich,
in dem die folgenden Ausdrücke
(1) bis (4) erfüllt
sind (mit allein der Ausnahme X = 0,8 und Y = 0,35; X = 0,8 und
Y = 0,45 sowie X = 0,6 und Y = 13/22). Y ≥ –1,134 X
+ 1,0518 (1) X ≤ –1,4842 Y2 +
1,1097 Y + 0,7097 (2) X ≥ 0,5 (3) Y ≤ 0,7 (4)
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Wenn
die obigen Ausdrücke
erfüllt
sind, kann auch dann für
einen KLWL mit einem doppellagigen Kern gesorgt werden, der eine
verhältnismäßig hohe Übertragungsleistung
und eine ausreichend große
Bandbreite hat, wenn eine optische Übertragungsvorrichtung Anwendung
findet, die eine Lichtquelle mit einer Anregungs-NA von immerhin
0,3 oder mehr verwendet. Um eine noch höhere Übertragungsleistung zu erzielen, werden
X und Y vorzugsweise in einem Bereich eingestellt, in dem die Ausdrücke (1)
und (2) erfüllt
sind und gleichzeitig X ≥ 0,76
oder entweder Y ≤ 0,4
oder Y < 0,4 erfüllt ist
(mit allein der Ausnahme X = 0,8 und Y = 0,35 sowie X = 0,8 und
Y = 0,45), mit anderen Worten im schattierten Bereich von 4.
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Ein
erfindungsgemäßer KLWL
wird wie oben beschrieben auf eine solche Weise gebildet, dass seine –3 dB-Bandbreite
bei einer Wellenleiterlänge
von 50 m, gemessen unter der Bedingung einer „All Mode"-Anregung, 400 MHz oder mehr beträgt. In den
letzten Jahren ist eine kostengünstige
LED mit eine Bandbreite von 400 MHz oder so entwickelt worden und
ist nach einem kostengünstigen
KLWL gesucht worden, der sich mit dieser LED anwenden lässt. Ein
erfindungsgemäßer KLWL
mit einem doppellagigen Kern kann gerade bei dieser Bandbreite ein
hervorhangendes Leistungsvermögen
zeigen.
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Obwohl
sich der oben genannte KLWL gut für eine optische Übertragung über eine
verhältnismäßig lange
Strecke mit einer Wellenleiterlänge
von 50 m oder so eignet, wird er in der Praxis sehr oft in einer
Länge von
20 m für
einen häuslichen
optischen Übertragungsweg
genutzt. Wenn der oben genannte KLWL bei eine optischen Übertragung
innerhalb einer Länge
von 20 m Anwendung findet, kann als optische Übertragungsleistung eine noch
reichlicher bemessene Leistung sichergestellt werden als im Fall
einer 50 m langen optischen Übertragung.
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Ferner
wird der Bereich der Bandbreite bei dem erfindungsgemäßen KLWL
auf einen Bereich eingestellt, in dem die Bandbreite mindestens
95 % der maximalen Bandbreite beträgt. Die in 1, 3 und 6 gezeigten
Simulationsergebnisse zeigen, dass sich der Bereich, in dem die
Bandbreite größer oder gleich
95 % der maximalen Bandbreite ist, wie folgt sicherstellen lässt: Und
zwar liegt der Bereich von X für
Y = 0,5 zwischen 0,62 und 0,78, für Y = 0,4 zwischen 0,69 und
0,81 und für
Y = 0,35 zwischen 0,75 und 0,79.
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Um
eine Bandbreite von 95 % der maximalen Bandbreite sicherzustellen,
werden X und Y folglich innerhalb eines Bereichs (des durch die äußere Umrandung
definierten Bereichs in 7) eingestellt, der durch die
folgenden Ausdrücke
(5) bis (10) definiert ist. Y ≤ –3,333 X
+ 3,1 (5) Y ≥ 2,5 X – 1,625 (6) Y ≥ –0,833 X + 0,975 (7) Y ≥ –1,429 X + 1,386 (8) Y ≤ 0,5 (9) Y ≥ 0,35 (10)
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Auf
Grundlage der in 1 und 3 gezeigten
Simulationsergebnisse schließt
dieser Bereich für
Y = 0,5 einen Bereich von X zwischen 0,65 und 0,76 und für Y = 0,4
zwischen 0,72 und 0,80 ein. Um eine Bandbreite von mindestens 98
% der maximalen Bandbreite sicherzustellen, werden X und Y folglich
innerhalb eines Bereichs (des durch die innere Umrandung definierten
Bereichs in 7) eingestellt, der durch die
folgenden Ausdrücke
(11) bis (14) definiert ist. Y ≥ –1,429 X
+ 1,429 (11) Y ≤ –2,5 X + 2,4 (12) Y ≤ 0,5 (13) Y ≥ 0,4 (14)
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Ferner
liegt der Punkt, der die maximale Bandbreite zeigt, für Y = 0,5
bei X = 0,707, sodass die Bandbreite am höchsten eingestellt werden kann,
wenn X und Y in die Nähe
dieses Punkts gesetzt werden.
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Es
ist demnach besonders vorzuziehen, dass X und Y so eingestellt werden,
dass sie innerhalb des Bereichs liegen, der den folgenden Ausdruck
(15) erfüllt. (X – 0,707)2 +
(Y – 0,5)2 ≤ 0,0004 (15)
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Entsprechend
liegt der Punkt, der die maximale Bandbreite zeigt, für Y = 0,4
bei X = 0,775, sodass die Bandbreite am höchsten eingestellt werden kann,
wenn X und Y in die Nähe
dieses Punkts eingestellt werden.
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Es
ist demnach besonders vorzuziehen, dass X und Y so eingestellt werden,
dass sie innerhalb des Bereichs liegen, der den folgenden Ausdruck
(16) erfüllt. (X – 0,775)2 +
(Y – 0,4)2 ≤ 0,0004 (16)
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Als
nächstes
werden die Materialen für
den erfindungsgemäßen KLWL
mit dem doppellagigen Kern beschrieben.
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Hinsichtlich
der Materialen für
den ersten Kern und den zweiten Kern, die bei der Erfindung den
doppellagigen Kern bilden, können
zum Beispiel Polymere verwendet werden, die entsprechend der beabsichtigten
Brechzahl passend aus einer Gruppe gewählt werden, die aus Homopolymeren,
die durch Polymerisieren der jeweiligen unten angegebenen gleichförmigen Monomere
erzielt werden können,
und Copolymeren besteht, die durch Copolymerisa tion von zwei oder
mehr unterschiedlichen Arten dieser Monomere erzielt werden können, besteht.
Dabei sollten die Materialen so gewählt werden, dass die Brechzahl
des ersten Kerns höher
als die des zweiten Kerns ist.
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Als
Monomere, die verwendet werden, damit sich die Kernmaterialen der
Erfindung ergeben, sind unter Berücksichtigung der industriellen
Herstellung Monomere zu bevorzugen, die durch Radikalpolymerisation leicht
dazu gebracht werden können,
große
Moleküle
zu bilden. Zu den Monomeren dieser Sorte gehören Methylmethacrylat, Benzylmethacrylat,
Phenylmethacrylat, Vinylbenzoat, Styrol, 1-Phenylethylmethacrylat, 2-Phenylethylmethacrylat,
Diphenylmethylmethacrylat, 1,2-Diphenylethylmethacrylat, 1-Bromethylmethacrylat,
Benzylacrylat, α,α-Dimethylbenzylmethacrylat,
4-Fluorstyrol, 2-Chlorethylmethacrylat, Isobornylmethacrylat, Adamantylmethacrylat,
Tricyclodecylmethacrylat, 1-Methylcyclohexylmethacrylat, 2-Chlorcyclohexylmethacrylat,
1,3-Dichlorpopylmethacrylat, 2-Chlor-1-chlormethylethylmethacrylat,
Bornylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat, Allylmethacrylat, Tetrahydrofurfurylmetharcrylat,
Vinylchloracetat, Glycidylmethacrylat, Methyl-α-chloracrylat, 2,2,2-Trifluorethylmethacrylat,
2,2,3,3-Tetrafluorpropylmethacrylat, 2,2,3,3,3-Pentafluorpropylmethacrylat,
2,2,2-Trifluor-1-trifluormethylethylmethacrylat, 2,2,3,4,4,4-Hexafluorbutylmethacrylat, 2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluorpentylmethacrylat,
2,2,2-Trifluorethyl-α-fluoracrylat, 2,2,3,3-Tetrafluorpropyl-α-fluoracrylat,
2,2,3,3,3-Pentafluorpropyl-α-fluoracrylat,
2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluorpentyl-α-fluoracrylat,
2,4-Difluorstyrol,
Vinylacetat, tert-Butylmethacrylat, Isopropylmethacrylat, Hexadecylmethacrylat,
Isobutylmethacrylat, α-Trifluormethylacrylat, β-Fluoracrylat, β,β-Difluoracrylat, β-Trifluormethylacrylat, β,β-Bis(trifluormethyl)acrylat, α-Chloracrylat
und so weiter.
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Für den ersten
Kern werden vorzugsweise insbesondere Homopolymere aus Methylmethacrylat
(im Folgenden mit PMMA abgekürzt)
verwendet, da diese für
einen KLWL mit verhältnismäßig geringen
Verlusten sorgen können.
Für den
zweiten Kern können
dabei Copolymere aus Methylmethacrylat und fluorinierten Alkyl(meta)acrylat
eingesetzt werden, wobei aufgrund ihrer geringen Verluste insbesondere
Copolymere aus Methylmethacrylat und 2,2,3,3-Tetrafluorpropylmethacrylat
eingesetzt werden können.
Ein KLWL mit verhältnismäßig geringen
Verlusten kann auch erreicht werden, wenn für den ersten Kern Copolymere
aus Benzylmethacrylat und Methylmethacrylat genutzt werden und für den zweiten
Kern PMMA genutzt wird.
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Was
die bei der Erfindung verwendeten Mantelmaterialen betrifft, können bekannte
Polymere eingesetzt werden. So können
zum Beispiel Copolymere, die aus zwei oder mehr verschiedenen Arten
der obigen Monomere bestehen, Copolymere auf Vinylidenfluorid-Basis
oder dergleichen genutzt werden. Für das Mantelmaterial sollten
Polymere gewählt
werden, die eine kleinere Brechzahl als der zweite Kern haben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen KLWL
mit doppellagigem Kern kann um die Mantellage herum eine Schutzlage
vorgesehen werden. Mit dieser zusätzlich vorgesehenen Schutzlage
lassen sich die mechanischen Eigenschaften wie die Biegefestigkeit
des KLWL verbessern und kann für
einen Schutz des Mantelmaterials gegen eine Beschädigung gesorgt
werden. Als Material für
die Schutzlage wird vorzugsweise ein Material mit einer kleineren
Brechzahl als die Mantelschicht verwendet. So können zum Beispiel vorzugsweise
Copolymere verwendet werden, die durch Copolymerisation von zwei
oder mehr verschiedenen Arten von Monomeren erzielt werden, die
aus der aus Vinylidenfluorid, Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen
bestehenden Gruppe gewählt
werden. Die Dicke der Schutzlage kann passend eingestellt werden,
wobei sie jedoch vorzugsweise in einem Bereich von nicht weniger
als 10 μm
und nicht mehr als 400 μm
liegt.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen KLWL
beschrieben.
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Ein
erfindungsgemäßer KLWL
lässt sich
auf die gleiche Weise wie beim herkömmlichen Herstellungsverfahren
eines KLWL herstellen, der einen normalen konzentrischen Mehrlagenaufbau
hat.
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Bei
der Herstellung eines erfindungsgemäßen KLWL wird ein Mehrkomponenten-Spinnverfahren
eingesetzt, damit sich eine leichte Steuerung der Mischlagendicke
erreichen lässt.
Unter den Mehrkomponenten-Spinnverfahren können vorzugsweise das Kolbenstrangpress-Mehrkomponenten-Spinnverfahren, das kontinuierliche
Mehrkomponenten-Spinnverfahren
oder dergleichen verwendet werden.
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Das
Kolbenstrangpress-Mehrkomponenten-Spinnverfahren umfasst die Schritte
Bilden eines Stabs für
jedes Polymer, dass den ersten Kern, den zweiten Kern, den Mantel
und falls erforderlich die Schutzlage bilden soll; Einführen jeweils
eines Stabs in einen von mehreren Zylindern; Strangpressen von Polymerschmelze
jedes Stabs durch Vorschieben eines Kolbens an einem Ende des Zylinders,
während
der Stab am anderen Ende des Zylinders geschmolzen wird; Einspeisen
eines Polymers mit jeweils vorgegebener Menge in jeweils einen Einlass 1 für das erste
Kernmaterial, einen Einlass 2 für das zweite Kernmaterial,
einen Einlass 3 für
das Mantelmaterial und einen Einlass 4 für das Schutzlagenmaterial
einer Mehrkomponenten-Spinndüse
mit dem in 5 dargestellten Aufbau; Bilden
eines mehrlagigen Aufbaus durch nacheinander erfolgendes Formen
einer Lage jedes Polymers mit vorgeschriebener Dicke und danach
Ausgeben eines fertigen Filaments aus der Düse. Das ausgegebene Filament
wird gekühlt,
während
es mit konstanter Geschwindigkeit entnommen wird.
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Das
kontinuierliche Mehrkomponenten-Spinnverfahren umfasst die Schritte
kontinuierliches Schmelzen von Polymeren, von denen jedes eine Lage
bilden soll, durch eine Sprangpresse; Durchführen einer Entgasung, wenn
es die Umstände
erfordern, und danach Einspeisen der Polymere in der gleichen Weise
wie oben beschrieben mit jeweils vorgegebener Menge in eine Mehrkomponenten-Spinndüse, wie
sie in 5 gezeigt ist; Bilden eines mehrlagigen Aufbaus
durch nacheinander erfolgendes Formen einer Lage jedes Polymers
mit vorgeschriebener Dicke und danach Ausgeben eines fertig ausgebildeten
Filaments aus der Düse. Das
ausgegebene Filament wird gekühlt,
während
es mit konstanter Geschwindigkeit entnommen wird.
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Wenn
ein KLWL durch ein Mehrkomponenten-Spinnverfahren dieser Art angefertigt
wird, kann durch eine Anpassung der Schmelzkontaktdauer in der Spinndüse für jedes
Polymer, das eine Lage bilden soll, die Durchdringungsdiffusionslänge der
Polymere eingestellt werden und lässt sich folglich die Mischlagendicke steuern.
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Um
die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, wird der einmal gebildete
KLWL, falls erforderlich, entweder im Anschluss an das Spinnen oder
nach dem vollständigen
Aufwickeln einer thermischen Zugbehandlung unterzogen.
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Als
nächstes
wird ein erfindungsgemäßes KLWL-Kabel
beschrieben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen KLWL-Kabel
handelt es sich um einen Gegenstand, bei dem auch auf der Außenfläche eines
wie oben beschrieben erzielten KLWL, der aus einem doppellagigen
Kern und einem Mantel besteht, oder eines KLWL, bei dem um den Mantel
herum außerdem
eine Schutzlage ausgebildet wurde, eine Beschichtung aufgebracht
ist. Ein unter Aufbringung der Beschichtung ausgebildetes KLWL-Kabel
hat insofern Vorteile, als die Handhabung und Unterscheidung der
dünnen
KLWL leichter fällt
und für
einen Schutz gegenüber
einer mechanischen Beschädigung
wie einer durch äußerer Kräfte verursachten
Beschädigung
sowie für
Wärmebeständigkeit
und Feuchtigkeitsbeständigkeit
gesorgt werden kann und außerdem
das Außenlicht
daran gehindert werden kann einzudringen.
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Die
Dicke des Beschichtungsmaterials wird entsprechend dem vorgeschriebenen
Durchmesser des KLWL und der vorgeschriebenen Außenabmessung des KLWL-Kabels
festgelegt, wobei sie normalerweise innerhalb eines Bereichs von
nicht weniger als 0,2 mm und nicht mehr als 1,5 mm gewählt wird.
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Als
Beschichtungsmaterial kann im Allgemeinen eine thermoplastisches
Harz genutzt werden, zu dem ein Vinylchoridharz, ein Polyamidharz
und ein Polyolefinharz wie Polyethylen gehört. Außerdem lassen sich als Beschichtungsmaterial
vorzugsweise Ethylen-Vinylacetat-Copolymere,
ein Polymergemisch aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren und ein Vinylchloridharz
verwenden. Diese Harze sind aufgrund ihrer Weichheit und ihres geringen
Widerstands gegen Biegespannung als Beschichtungsmaterialen zu bevorzugen.
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Die
Aufbringung eines Beschichtungsmaterials auf der Außenfläche des
KLWL kann durch ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines KLWL-Kabels
erfolgen. So kann zum Beispiel, während ein KLWL durch eine Beschichtungsform
geschickt wird, ein geschmolzenes Beschichtungsmaterial aufgebracht
werden, damit es um dieses herum mit einer vorbestimmten Dicke aufgebracht
wird, sodass dadurch eine KLWL-Kabel hergestellt werden kann.
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BEISPIELE
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Es
wird darauf hingewiesen, dass einige der folgenden Beispiele außerhalb
der beanspruchten Bereiche liegen.
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KLWL mit einem Brechzahldifferenzverhältnis Y
= 0,5
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Für einen
KLWL mit einem doppellagigen Kern und einem Brechzahldifferenzverhältnis Y
von 0,5 wurde für
den ersten Kern Polymethylmethacrylat (PMMA), für den zweiten Kern ein binäres Copolymer
aus 2,2,3,3-Tetrafluorpropylmethacrylat (4FM) und Methylmethacrylat
(MMA) mit einem Gewichtsanteil für
4FM von 20 Gewicht-% und für
den Mantel ein Copolymer aus 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 7, 8, 8,
9, 9, 10,10-Heptadecafluordecylmethacrylat (17FM)/Styrol/Methylmethacrylat
= 33/6/61 (Gewicht-%) verwendet und wurde dadurch ein KLWL mit einem
Durchmesser von 750 μm
herstellt. Die Dicke des Mantels wurde dabei auf 10 μm eingestellt.
Die Brechzahlen der Lagen betrugen für den ersten Kern, den zweiten
Kern und den Mantel jeweils 1,491, 1,476 und 1,461. Das Brechzahldifferenzverhältnis Y
betrug hierbei 0,5. Als der Querschnitt dieses KLWL unter einem
Mikroskop untersucht wurde, war weder zwischen den Lagen des ersten
Kerns und des zweiten Kerns noch zwischen den Lagen des zweiten
Kerns und des Mantels eine Mischlage erkennbar, was zeigt, dass
sich im Wesentlichen keine Mischlage gebildet hatte.
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Die
Fertigung des KLWL erfolgte, indem Polymere, von denen jedes das
Material einer Lage bildete, mittels einer Mehrkomponenten-Spinndüse mit einem
wie in 5 gezeigten Aufbau in Verbindung gebracht wurden,
um so einen konzentrischen mehrlagigen Aufbau zu bilden, in dem
jede Lage ihre eigene vorgeschriebene Dicke hatte, und danach das
Filament aus der Düse
ausgegeben und gekühlt
wurde, während
es mit konstanter Geschwindigkeit entnommen wurde, und die Länge anschließend mittels
Ziehen bei einer Ziehtemperatur von 145 °C verdoppelt wurde, gefolgt
von Aufwickeln.
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Mit
Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens wurden mehrere KLWL mit
einem Brechzahldifferenzverhältnis
Y von 0,5 und verschiedenen Kernradiusverhältnissen X hergestellt, wie
sie in Tabelle 1 angegeben sind. Die Schichtdicke jeder Lage wurde
durch Einstellen des Verhältnisses
der aus der Düse
abgegebenen Polymermengen, der Abgabegeschwindigkeit, der Spinngeschwindigkeit
und dem Ziehverhältnis
gesteuert. Das in Tabelle 1 angegebene Verhältnis der Kernfläche entspricht
dem Verhältnis
der Querschnittsfläche
des ersten Kerns und des zweiten Kerns, wobei 30/70 zum Beispiel
angibt, dass das Verhältnis
der Querschnittsfläche
des ersten Kerns zur Querschnittsfläche des zweiten Kerns 30 zu
70 beträgt.
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In
Tabelle 1 sind die Bandbreiten und relativen Bandbreiten für verschiedene
Kernradiusverhältnisse angegeben.
Die Bandbreiten in der Tabelle entsprechen den Bandbreiten, die
für die
verschiedenen angefertigten KLWL unter der Bedingung einer „All Mode"-Anregung unter Verwendung
eines optischen Abtastoszillographen (Detektors), hergestellt von
Hamamatsu Photonics Co., Ltd. und einer Lichtquelle mit einer Emissionswellenlänge von
650 nm gemessen wurden. Die in den Messungen verwendeten KLWL waren
50 m lang. Darüber
hinaus wurden die relativen Bandbreiten bezüglich der Bandbreite eines
KLWL mit einem Kernflächenverhältnis von
50/50 (das Kernradiusverhältnis
beträgt
0,707) normalisiert.
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KLWL mit einem Brechzahldifferenzverhältnis Y
= 0,4
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Mit
Ausnahme dessen, dass für
den zweiten Kern eine binäres
Copolymer aus 2,2,3,3-Tetrafluorpropylmethacrylat (4FM) und Methylmethacrylat
(MMA) mit einem Gewichtsanteil für
4FM von 24 Gewicht-% verwendet wurde, wurde auf die gleiche Weise
wie bei dem oben genannten KLWL mit einem Brechzahldifferenzverhältnis Y
von 0,5 ein KLWL mit einem Brechzahldifferenzverhältnis Y
von 0,4 hergestellt. Die Brechzahl seines zweiten Kerns betrug 1,473.
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Die
Messergebnisse für
die Bandbreiten und die relativen Bandbreiten sind für verschiedene
Kernradiusverhältnisse
in Tabelle 2 angegeben.
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KLWL mit einem Brechzahldifferenzverhältnis Y
= 0,25
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Mit
Ausnahme dessen, dass für
den zweiten Kern ein binäres
Copolymer aus 2,2,3,3-Tetrafluorpropylmethacrylat (4FM) und Methylmethacrylat
(MMA) mit einem Gewichtsanteil für
4FM von 30 Gewicht-% verwendet wurde, wurde auf die gleiche Weise
wie bei dem oben genannten KLWL mit dem Brechzahldifferenzverhältnis Y
von 0,5 ein KLWL mit einem Brechzahldifferenzverhältnis X
von 0,25 hergestellt. Die Brechzahl seines zweiten Kerns betrug
1,4685.
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Die
Messergebnisse für
die Bandbreiten und relativen Bandbreiten sind für verschiedene Kernradiusverhältnisse
in Tabelle 3 angegeben.
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Die
obigen Ergebnisse bestätigen,
dass die erfindungsgemäßen KLWL
für große Übertragsbandbreiten
sorgen können.
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Beurteilung der optischen Übertragungsleistung
(relative Emissionsleistung)
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Als
nächstes
wurde in die wie oben genannt angefertigten KLWL mit 50 m Länge von
einer LED abgegebenes Licht mit einer numerischen Apertur von 0,6
eingekoppelt und wurden dabei die Emissionslichtmengen gemessen.
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Für die Emissionsleistung
eines separat hergestellten Referenz-KLWL wurde 1 genommen, wobei
die ermittelten Emissionslichtmengen dann als relative Emissionsleistungen
ausgedrückt
wurden und ein Vergleich dieser Mengen vorgenommen wurde.
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Als
Referenz-KLWL wurde ein KLWL der SI-Bauart mit einem einlagigen
Kern eingesetzt. Für
das Kernmaterial dieses Referenz-KLWL wurde das oben beschriebene
Innenlagenkernmaterial (PMMA) genutzt und für das Mantelmaterial wurde
ein ähnliches
Mantelmaterial wie das Mantelmaterial des obigen KLWL mit dem gut
doppellagigen Kern genutzt. Wie bei dem obigen KLWL mit dem doppellagigen
Kern wurden der Außendurchmesser
und die Manteldicke des KLWL auf 750 μm bzw. 10 μm eingestellt.
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Die
Messergebnisse für
die relative Emissionsleistung der verschiedenen angefertigten KLWL
sind in Tabelle 4 angegeben.
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Tabelle
4 zeigt, dass die Emissionsleistung für den Fall, das Y 0,4 oder
weniger beträgt,
bei mindestens 75 % der Emissionsleistung des Referenz-KLWL gehalten
werden kann. Wenn das Kernradiusverhältnis X 0,775 oder mehr beträgt, kann
die Emissionsleistung ebenfalls ein hohes Niveau halten.
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Wie
Tabelle 4 klar für
den Fall der KLWL zeigt, deren Brechzahldifferenzverhältnis Y
0,5 und Kernradiusverhältnis
X 0,548 und 0,632 beträgt,
bei denen die Emissionsleistungen nur 0,69 oder weniger betragen, können die
KLWL außerdem
selbst dann, wenn sie große
Bandbreiten haben, geringe Emissionsleistungen haben.
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Vorhandensein
einer Mischlage und Übertragungsbandbreite
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Es
wurde ein Vergleich vorgenommen zwischen den Bandbreiten eines KLWL,
der durch das gleiche Rotationspolymerisationsverfahren hergestellt
wurde, wie in der
EP
0 844 501 A2 beschrieben ist, und eines KLWL, der durch
das kontinuierliche Mehrkomponenten-Spinnverfahren hergestellt wurde. In
den beiden Fällen
dieser hierbei angefertigten KLWL mit doppellagigem Kern wurden
der Außendurchmesser
und die Manteldicke auf 750 μm
bzw. 10 μm
und X = 0,837 und Y = 0,7 eingestellt. Während bei dem durch das Rotationspolymerisationsverfahren
hergestellten KLWL unter einem Mikroskop in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem
ersten Kern und dem zweiten Kern eine 21 μm dicke Mischlage beobachtet
wurde, konnte bei dem durch das kontinuierliche Mehrkomponenten-Spinnverfahren hergestellten
KLWL keine Mischlage festgestellt werden.
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Die Übertragungsbandbreiten
und relativen Emissionsleistungen wurden für diese unter den gleichen Bedingungen
wie oben beschrieben gemessen. Die Bandbreite und die relative Emissionsleistung
für den durch
das Rotationspolymerisationsverfahren hergestellten KLWL betrugen
210 MHz bzw. 0,71. Dagegen betrugen die Bandbreite und die relative
Emissionsleistung für
den durch das kontinuierliche Mehrkomponenten-Spinnverfahren hergestellten
KLWL 480 MHz bzw. 0,89.
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Dies
zeigt, dass selbst dann, wenn X und Y auf ein und denselben Wert
eingestellt werden, ein KLWL, bei dem sich keine Mischlage bildet,
eine Übertragungsbandbreite
und eine Übertragungsleistung
besserer Qualität
erreichen kann.
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Bewertung
KLWL-Kabel
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Darüber hinaus
wurde unter Verwendung einer Kreuzkopf-Beschichtungsanlage auf die Außenfläche des
obigen KLWL bei einer Temperatur von 150°C geschmolzenes Polyethylen
aufgebracht, um für
eine Beschichtung zu sorgen, wobei dadurch ein KLWL-Kabel mit einem
Außendurchmesser
von 2,2 mm erzielt wurde. Das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen KLWL
erzielte KLWL-Kabel zeigte auf gleiche Weise, dass es eine große Bandbreite
und ein hohe Emissionsleistung hat.
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Bewertung
optische Übertragungsvorrichtung
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Ein
wie oben erzieltes KLWL-Kabel wurde nach 50 m abgeschnitten. Indem
eine LED mit einer Emissionswellenlänge 650 nm als Lichtquelle
verwendet wurde, wurde diese Lichtquelle mit einer Anregungs-NA von
0,3 an einem Ende des KLWL-Kabels angeordnet und wurde an dem anderen
Ende als optischer Empfänger
eine Fotodiode angeordnet, wobei dann Signale von 400 MHz übertragen
wurden. Das erfindungsgemäße KLWL-Kabel
bewies erfolgreich seine hervorragenden Fähigkeiten bei der Signalübertragung.
