DE69110992T2

DE69110992T2 - Verfahren zur Herstellung einer monomoden optischen Faser aus elektrooptischem Polymer, sowie eine solche optische Faser.

Info

Publication number: DE69110992T2
Application number: DE69110992T
Authority: DE
Inventors: Dominique F-22300 Lannion Bosc; Martine F-22560 Trebeurden Guilbert; Christian F-22140 Begard Toinen
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1991-08-21
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2011-08-22
Also published as: EP0473496B1; FR2666046A1; FR2666046B1; DE69110992D1; EP0473496A1; US5182783A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines zylindrischen Monomode-Lichtwellenleiters aus Polymer, der eine Modulation der von ihm übertragenen Lichtwelle durch elektrooptischen Effekt ermöglicht. Ferner betrifft sie einen solchen Lichtwellenleiter mit elektrooptischen Eigenschaften.
Die Erfindung wird vorteilhafterweise im Bereich der Fernmeldetechnik mit Lichtwellenleitern eingesetzt und hier insbesondere im Bereich der Lichtwellenleiter im nahen Infrarotbereich, Z.B. zwischen 0,6 und 2 um.
Grundsätzlich gibt es bei allen fernmeldetechnischen Geräten mit Lichtwellenleitern das Problem der Weiterleitung der gewünschten Information in Form einer Phasenmodulation oder der Amplitudenmodulation der Trägerwelle, in diesem Fall der Lichtwelle. Man benötigt daher Einrichtungen, die in der Lage sind, die gewünschte Modulation zu erzeugen bzw., ganz allgemein, die Eigenschaften der Lichtweiterleitung in einem Glasfasernetz zu verändern.
Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, daß die nicht-linearen Eigenschaften der elektrischen Suszeptibilität bestimmter Materialien benutzt werden. Das Einwirken eines starken Magnetfelds auf ein solches Material bewirkt eine Veränderung des Brechungsindex des Mediums und damit auch der Phase der Lichtwelle. Bei einer Modulation dieses Feldes wirkt das System wie ein Phasen- oder Amplitudenmodulator mittels Interferenz mit einer Welle mit fester Phase. Bekannt sind elektrooptische Modulatoren aus mineralischen Monokristallen, wie z.B. KDP, Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) oder Galliumarsenid. Diese Materialien haben jedoch häufig eine schwierige Kristallogenese und müssen in der Regel für die Verwendung in einer Fernmeldeeinrichtung als Lichtwellenleiter ausgeführt sein. Daher sind diese Materialien zwar sehr leistungsfähig, aber auch sehr teuer, was ihrem Einsatz in einem Glasfasernetz entgegensteht. Auch finden die Modulationsfunktionen manchmal an der Quelle statt, d.h. mittels direkter Modulation, mit dem Nachteil, daß senderferne elektrooptische Umwandlungen beschränkt sind.
In letzter Zeit wurden Versuche durchgeführt, um einen elektrooptischen Effet, insbesondere einen Kerr-Effekt, mit Siliziumfasern zu erhalten; siehe hierzu den Artikel von J.M. Dziedzic u.a. "Optical Kerr effect in long fibers" in der Zeitschrift "Applied Optics", 20 (8), 1405 (1981). Da Silizium jedoch eine sehr geringe elektrische Suszeptibilität hoher Ordnung aufweist, insbesondere bei der Suszeptibilität 3. Ordnung, wie sie beim Kerr-Effekt auftritt, sind zwischen der Faser und dem elektrischen Feld große Interaktionslängen von 30-50 m erforderlich, was zu sehr engen Durchlaßbereichen führt, die mit der Laufzeit der optischen Welle im Interaktionsbereich zusammenhängen. Bei 50 m Silizium erhält man Z.B. eine Laufzeit von 2,5 us.
Neue polymere Lichtleitfasern, für die ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren in Patent Nr. 2.557.495, entsprechend der europäischen Patentanmeldung Nr. EP-151.363, beschrieben ist, bieten neue interessante Möglichkeiten für die Herstellung von Lichtwellenleitern mit ausgeprägtem elektrooptischem Effekt, da organische Moleküle wie z.B. 2-Methyl 4-Nitroanilin, DEANS (4-Diethylamin-4'-Nitrostilben, Disperse Red 1 (4- [N-Ethyl-N-(2-Hydroxyethyl)]Amino-4'-Nitroazobenzol), NPP N- (4-Nitrophenyl-L-Piolinol) u. a. nicht-lineare elekrische Suszeptibilitäten aufweisen können, die um einen Faktor 2 höher als die von beispielsweise Silizium sind. Aber auch wenn in der Patentanmeldung Nr. FR-2.657.556 vom 26. Januar 1990, die am 2. August 1991 veröffentlicht wurde, ein Verfahren zur Fertigung eines Monomode-Polymer-Lichtwellenleiters erwähnt wird, so liegt doch keine Beschreibung für solche Fasern vor, die einen elektrooptischen Effekt hervorrufen können.
Das in EP-151 363 beschriebene Verfahren umfaßt folgende Schritte:
- Herstellung eines zylindrischen Kernstabes durch Polymerisation einer polymerisierbaren Mischung mit insbesondere einem Kernpolymer,
- Ausführung einer ersten Vorform durch Umgeben des zylindrischen Kernstabes mit einer optischen Hülle aus einem Hüllpolymer.
Durch den Gegenstand dieser Erfindung soll das technische Problem gelöst werden, ein Verfahren für die Herstellung eines zylindrischen Lichtwellenleiters der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, mit dem ein Monomode-Lichtwellenleiter mit hoher elektrooptischer Leistung hergestellt werden kann, wobei aber die geometrischen Eigenschaften immer noch mit der Monomode-Ausführung vereinbar sein und die Anforderungen für den Anschluß an Standard-Monomode-Lichtwellenleiter aus Silizium erfüllt werden müssen, d.h. im wesentlichen die Konzentrizität des Kerns zum Lichtleiter selbst.
Nach der Erfindung wird das beschriebene technische Problem dadurch gelöst, daß der zylindrische Kernstab auch eine elektrooptisch aktive Substanz enthält, so daß der Kern unter der Wirkung eines äußeren elektrischen Feldes optisch aktiv wird. Da es sich um einen Monomode-Lichtwellenleiter handelt, der eine Modulation der übertragenen Lichtwelle durch den elektrooptischen Effekt ermöglicht, umfaßt dieses Verfahren ferner die folgenden Schritte:
- Einfügen der ersten Vorform in eine aus einem Röhrenpolymer bestehende erste Röhre
- Herstellung einer zweiten Vorform durch teilweises Ziehen der die erste Vorform enthaltenden ersten Röhre
- Einfügen der zweiten Vorform in eine zweite Röhre aus einem Röhrenpolymer
- Ausziehen der so hergestellten zweiten Röhre zu einer Faser, bis der Kerndurchmesser die notwendigen Abmessungen erreicht hat, damit der erhaltene Lichtwellenleiter im Monomodebetrieb arbeitet,
- Herstellung von Polarisations- und Erregerelektroden aus der elektrooptisch aktiven Substanz.
Im folgenden ist unter "Ausziehen einer Röhre zu einer Faser" die Verkleinerung des Durchmessers der Röhre auf die Maße einer im Warmziehverfahren erhaltenen Glasfaser zu verstehen.
Ferner zeichnet sich die Monomode-Polymerlichtleitfaser nach dieser Erfindung grundsätzlich dadurch aus, daß sie folgendes enthält:
- einen Kern aus einer Mischung aus insbesondere einem Kernpolymer und einer elektrooptisch aktiven organischen Substanz, so daß der Kern unter der Wirkung eines äußeren elektrischen Feldes optisch aktiv ist, wobei der Kerndurchmesser die dazu erforderlichen Abmessungen hat, daß der Lichtwellenleiter ein Monomodeleiter ist;
- eine optische Hülle aus einem Hüllpolymer um den Kern,
- Polarisations- und Erregerelektroden aus der optisch aktiven Substanz.
Da der Lichtwellenleiter, der mit dem den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren, hergestellt wird, als Massenartikel aus preisgünstigen Grundstoffen gefertigt werden kann, sind seine Gestehungskosten relativ gering. Da die aktive organische Substanz außerdem sehr ausgeprägte elektrooptische Eigenschaften haben kann, kann dazu auch die einer bestimmten Steuerspitzenspannung entsprechende Interaktionslänge deutlich verringert oder umgekehrt die Spitzenspannung für eine bestimmte Interaktionslänge verringert werden. Ein weiterer Vorteil einer hohen elekrooptischen Leistung ist der deutlich höhere Durchlaßbereich des Lichtwellenleiters, der in manchen Fällen den Gigahertz-Bereich überschreiten kann. Schließlich ist noch hervorzuheben, daß das erfindungsgemäße Verfahren einen Monomode-Lichtwellenleiter ergibt, der eine hervorragende Konzentrizität der Kern- und Leiterdurchmesser aufweist und damit die Anforderungen für die Verwendung mit den handelsüblichen LWL-Steckern erfüllt.
Die hier vorliegenden elektrooptischen Effekte sind zweierlei Art: der Pockels-Effekt betrifft die elektrische Suszeptibilität 2. Ordnung, x(2), des Materials und erzeugt eine Indexveränderung des Mediums, die proportional zu X(2)E ist, wobei E das angelegte elektrische Feld ist, während die sich aus dem Kerr-Effekt ergebende Indexveränderung proportional zu X(3)E² ist, wobei X(3) die Suszeptibilität 3. Ordnung des Materials darstellt. In bestimmten Fällen sind die Effekte 3. Ordnung nicht ausreichend oder durch nicht elektronische Phänomene überdeckt, die nicht schnell genug sind; dies ist z.B. bei Polarmolekülen der Fall. Es ist daher von Vorteil, insbesondere für die Modulation von hochfrequentem Licht, die quadratischen Eigenschaften der aktiven Substanz zugunsten des elektrooptischen Pockels-Effekts zu verstärken. Hierfür ist vorgesehen, daß nach Erhalt der Monomode-Faser die Moleküle der elektrooptisch aktiven organischen Substanz im Kerninneren bei einer Temperatur, die fast der Glasübergangstemperatur des Kernpolymers entspricht, unter der Wirkung eines elektrischen Felds, das sodann bis zur Rückkehr zur Umgebungstemperatur beibehalten wird, orientiert werden.
Als Kernpolymere für einen Lichtwellenleiter können Z.B. Methacrylpolymere, insbesondere das Polymethylmethacrylat, die α-Haloacrylate, Styrolpolymere, Carbonate und Vinylcarbonate verwendet werden, die eine Glasübergangstemperatur von über 80ºC und eine Auszieh- Temperatur zwischen 150 und 300ºC aufweisen.
Die elektrooptisch aktive organische Substanz muß hohe elektrische Suszeptibilitäten 2. oder 3. Ordnung besitzen. Diese Substanzen zeichnen sich durch eine Gruppe, die leicht Elektronen abgibt und an eine Gruppe, die Elektronen aufnimmt, gekoppelt ist, so daß eine hohe Suszepibilität X(2) vorliegt, oder durch stark gekoppelte Moleküle wie Polyalkylthiophene, Polydiacetylene und andere gekoppelte Polymere mit hoher elektronischer Suszeptibilität X(3) aus.
Diese aktiven Substanzen können einfache Moleküle oder mit dem Kernmonomer copolymerisierbare Monomere sein. In beiden Fällen muß das aktive Molekül im Kernmonomer bis zum Erhalt der erforderlichen Menge, die die Leistungen des Endpolymers gewährleistet, auf lösbar sein. Es sind Vorkehrungen zu treffen, damit die elektrooptisch aktive Substanz die Polymerisation nicht verhindert, sich nicht während der Polymerisation verändert und keine Vernetzung des sich bildenden oder bereits gebildeten Kernpolymers, Z.B. bei dem Ausziehen zu einer Faser, verursacht.
Die aktive organische Substanz kann dem Kernpolymer auf verschiedene Weise zugesetzt werden: entweder durch einfache Zugabe in das Polymer, das sind die sogenannten "Guest-Host"- Verbindungen, oder durch chemische Kopplung an das Polymer oder das zu polymerisierende Monomer.
Aus der folgenden Beschreibung, die Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen nimmt, die jedoch lediglich Beispielcharakter haben und nicht als einschränkend zu versteren sind, wird die Erfindung und ihre Ausführungsweise leicht ersichtlich.
Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte nach dieser Erfindung.
Abbildung 2 zeigt schematisch zwei mögliche Anwendungsarten für einen Lichtwellenleiter, der mit diesem Fertigungsverfahren hergestellt ist.
Abbildung 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtwellenleiters mit auf den Abflachungen abgeschiedenen Polarisations- und Erregerelektroden.
Das Fertigungsverfahren für einen zylindrischen Monomode- Lichtwellenleiter aus Polymer, der eine Modulation der von ihm übertragenen Lichtwelle durch elektrooptischen Effekt ermöglicht, ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Im ersten Schritt wird dabei ein zylindrischer Kernstab II durch Polymerisation eines polymerisierbaren Gemischs aus insbesondere einem Kernpolymer und einer elektrooptisch aktiven organischen Substanz hergestellt, wobei der Kern unter der Wirkung eines äußeren elektrischen Feldes optisch aktiv ist.
Das Kernpolymer wird Z.B. aus einer Mischung zweier Monomere hergestellt, nämlich Methylmethacrylat und Ethylmethacrylat in einem Mischungsverhältnis von 100/0 bis 80/20 Mol/Mol. Die elektrooptisch aktive Substanz besteht grundsätzlich aus einem Molekül, so daß das Kernpolymer eine Suszeptiblität aufweist, die nach einer an anderer Stelle näher beschriebenen Orientierung um einen Faktor 2 größer als 3,3.10&supmin;¹&sup4; MKSA bzw. um einen Faktor 3 größer als 1,1.10&supmin;¹&sup9; MKSA bei der jeweiligen Wellenlänge ist. Mögliche Moleküle sind 2-Methyl 4-Nitroanilin (MNA), das eine gute nichtlineare Suszeptibilität aufweist und im hohem Maße löslich ist. MNA wird bei 90ºC und einem Druck von 2.10&supmin;&sup5; mbar zu Ig/h sublimiert und wird dann in die Reinigungsrampe eingebracht, wie im französischen Patent Nr. 2 557 495 beschrieben, auf das in dieser Anmeldung Bezug genommen wird. Es können MNA-Anteile zwischen 1 und 15 Gew.-% des gebildeten Kernpolymers, und zwar vorzugsweise zwischen 5 und 10 Gew.-%, gewählt werden. Beispiel: ein Gemisch aus 5% MNA in Polymethylmethacrylat besitzt eine Suszeptibilität X(3) von 5,5.10&supmin;²¹ MKSA gegenüber 3,3.10&supmin;²³ MKSA für Silizium bei einer Lichtwellenlänge von ca. 1 um. Die polymerisierbare Mischung enthält ferner Reagenzien, wie z.B. Ditertiobutylperoxyd als Polymerisationshilfe in einem Anteil von ungefähr 0,1 bis 10 Promille Mol pro Mol der Comonomere, und ein Übertragungsmittel als Filter für freie Radikale, die das MNA angreifen könnten. Das Übertragungsmittel, der z.B. ein Mercaptan wie Laurylmercaptan oder n-Butylmercaptan sein kann, muß so dosiert werden, daß die Polymerisation durch MNA, die Vernetzung und die Transformation der aktiven Zentren nicht beeinträchtigt werden.
Sobald alle Bestandteile in einer Reagenzröhre vereinigt sind, wird diese in ein auf 80ºC geregeltes Bad gegeben, in dem sie 4-6 Tage verbleibt, bis der geeignete Polymerumwandlungsgrad erreicht ist. Damit die aktiven Zentren während der Polymerisation nicht beschädigt werden, ist eine sorgfältige Temperaturregelung wichtig.
Nach der Polymerisation hat der zylindrische Kernstab 11 vorzugsweise einen Durchmesser D&sub1; von 5 mm. Ist der Anfangsdurchmesser größer als dieser Wert, so wird der Stab mittels Warmziehverfahren auf 5 mm Durchmesser gezogen.
Wie im französischen Patent 2 557 495 beschrieben, wird der zylindrische Stab 11 dann mit einer optischen Hülle 12 aus einem Hüllpolymer umgeben, so daß man eine erste Vorform 10 mit einem Durchmesser D&sub2; erhält; hierzu ist in folgenden Schritten vorzugehen:
- der zylindrische Stab wird mit dem Hüllmonomer, das in einer cryogenen Destilliereinheit destilliert wurde, gereinigt,
- der zylindrische Stab 11 wird am Ende der Destilliereinheit so in einen zylindrischen Hohlraum eingebracht, daß die Hauptachsen des Stabs und des Hohlraums im wesentlichem übereinstimmen; dann wird der Aufbau aus Stab und Hohlraum in ein Grobvakuum versetzt,
- der Raum zwischen den Innenwänden des Hohlraums und dem Stab wird mit einer polymerisierbaren Mischung des Hüllpolymers gefüllt,
- die Mischung wird polymerisiert,
- dann wird die so erhaltene erste Vorform 10 herausgenommen.
Gleich, welches Polymer für die optische Hülle verwendet wird, muß seine Zusammensetzung so beschaffen sein, daß die numerische Apertur mit der Monomodalität des Leiters bei der Gebrauchswellenlänge vereinbar ist. Genauer gesagt, die Monomodalität setzt voraus, daß die Standardfrequenz V des Leiters, die sich aus der Formel
V = π dc (n²c - n²g) 1/2 / λ (1)
ergibt, kleiner oder gleich 2,4 ist. In dieser Formel sind X die Wellenlänge, nc und ng der Kern- bzw. der Hüllindex und de der Enddurchmesser des Kerns. Bei einer Wellenlänge von 0,8 um, einem Durchmesser de von 5 um und einem Kernindex von 1,5 darf die Indexdifferenz aus nc - ng höchstens 5.10&supmin;³ betragen.
Generell bewirkt MNA eine Erhöhung des Indexwerts für das Polymer, dem es zugesetzt wird. Man kann somit davon ausgehen, daß das Hüllpolymer identisch mit dem Kernpolymer ist und das MNA ausreicht, die erforderliche Indexdifferenz aus nc - ng zu bewirken. Es ist auch möglich, das Hüllpolymer durch Polymerisation der polymerisierbaren Kernmischung herzustellen, die mit einem Monomer mit einem sehr niedrigen Brechungsindex, wie z.B. einem fluorierten Estermethacrylat, einem pentafluorierten Styrol oder einem fluorierten Vinylcarbonat, copolymerisiert ist und deren Menge so eingestellt wird, daß nc - ng dem Sollwert möglichst nahe kommt.
Es ist von Vorteil, wenn das Verhältnis der Durchmesser D&sub2;/D&sub1; größer oder gleich 2 ist, damit die gereinigte optische Hülle den gesamten Wellenbereich umfaßt. Aufgrund des Lösungseffekts des Monomers auf den zylindrischen Stab 11 mit Durchmesser D&sub1;, muß jedoch D&sub2;/D&sub1; kleiner als ein bestimmter Grenzwert sein: ist das Kernpolymer ein Methyl-Polymethacrvlat und das Hüllpolymer ein Comonomer auf z.B. zu mehr als 90% auf Methylmethacrylatbasis, dann muß D&sub2;/D&sub1; kleiner als 5 sein.
Wie in Abbildung 1c zu sehen, wird die erste Vorform 10 dann in eine erste Röhre 20 mit einem Innendurchmesser D&sub2; und einem Außendurchmesser D&sub3; aus einem dritten Polymer, dem sog. Röhrenpolymer, eingefügt. Die Auszieh- und Glasübergangstemperaturen der verwendeten Röhrenpolymere müssen mit denen des Kernpolymers vereinbar sein. Für ihren Brechungsindex gibt es keine speziellen Anforderungen, da sie lediglich als Verstärkungsmaterial dienen. Zur besseren Bearbeitbarkeit der ersten Röhre 20, sollte das Verhältnis D&sub3;/D&sub2; mindestens 1,25 sein.
Eine zweite Vorform 30 (Abb. 1d) mit Durchmesser D&sub4; wird dann durch teilweises Ziehen der die erste Vorform 10 enthaltenden ersten Röhre 20 hergestellt. Aus den gleichen Gründen wie für Durchmesser D&sub1; muß der Enddurchmesser D&sub4; mindestens 4 mm, also z.B. 5 mm, betragen.
Damit die Stäbe lang genug sind und einen gleichmäßigen Durchmesser aufweisen, sollte ferner die Verringerung von D&sub3; auf D&sub4; vorzugsweise so gewählt werden, daß D&sub3;/F&sub4; ≥ 4 ist.
Die zweite Vorform 30 wird wiederum in eine zweite Röhre 40 mit einem Innendurchmesser D&sub4; und einem Außendurchmesser D&sub5; aus einem Röhrenpolymer eingefügt (Abb. 1e). Die so erhaltene Vorform 40 wird dann dergestalt vorbearbeitet, daß Mittel für das Anbringen der Polarisationselektroden aus der elektrooptisch aktiven Substanz vorgesehen werden. Im Ausführungsbeispiel in Abb. 1f sind diese Anbringungsmittel Abflachungen 41 und 42, die sich diametral gegenüberliegen und die mittels Fräsen der Röhre 40 hergestellt werden. Als Näherungswert kann man davon ausgehen, daß bei einem Ausgangsdurchmesser D&sub5; von 25 mm die zweite Röhre 40 durch das Fräsen auf eine Platte von ca. 3,6 bis 11 mm Stärke verkleinert wird. Diese Platte wird dann (nicht in den Abbildungen dargestellt) bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 240ºC je nach dem mittleren Molekulargewicht des Polymers zu einer Faser ausgezogen, bis man den gewünschten Kerndurchmesser dc, also ca. 5 um, erhält. Die so erhaltene Monomode-Faser hat einen Durchmesser von 140 um bei einer Abflachung mit einer Stärke von 20 bis 60 um. In einem letzten Schritt werden dann die Polarisationselektroden z.B. durch Vakuum-Metallverdampfung auf den Abflachungen der erhaltenen Monomode-Faser, hergestellt. Abbildung 3 zeigt eine solche Faser mit den Polarisations- und Erregerelektroden.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Abb. 1g sind die Mittel zum Anbringen der Elektroden symmetrische und parallel zur Achse der zweiten Röhre 40 verlaufende Löcher 43, 44. Die Elektroden werden durch Einspritzen einer Metallegierung in diese Längslöcher hergestellt. Nach dem Ausziehen zu einer Faser wird dann eine leitende Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt wie z.B. InGa in die Löcher gefüllt und stellt die Polarisationselektroden dar.
Die Metallegierung besitzt vorzugsweise einen Schmelzpunkt, der mindestens 20ºC und höchstens 40ºC unter der Glasübergangstemperatur des Hüllpolymers liegt. Natürlich sind die Mittel zum Anbringen der Elektroden, also die Abflachungen 41, 42 oder Löcher 43, 44, nicht erforderlich, wenn die nichtlineare Wirksamkeit der aktiven Substanz hoch oder wenn die Interaktionslänge groß ist. Die Elektroden werden in diesem Fall direkt auf die zylindrische Außenwand des Leiters aufgebracht. Abbildung 2 zeigt zwei schematische Aufbaubeispiele, bei denen ein Lichtwellenleiter 100, der nach dem in Abbildung 1 beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, so eingesetzt wird, daß eine Modulation einer in einem Glasfasernetz übertragenen Lichtwelle durch elektrooptischen Effekt bewirkt wird.
Abbildung 2a zeigt eine Vorrichtung zur Phasenmodulation, bestehend aus einer Quelle 101 als Sender einer Welle, deren Amplitude durch folgende Formel gegeben ist:
Ao e jωτ
Diese Welle wird durch eine erste Lichtleitfaser 102 gesendet, die über einen Steckverbinder 104 mit dem gestrichelt dargestellten Lichtwellenleiter 100 verbunden ist. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, ist der Leiter 100 über eine Länge L einem elektrischen Feld ausgesetzt, das durch eine an den Elektroden 51, 52 anliegende veränderliche Spannung V(t) erzeugt wird. Der im Inneren des Lichtwellenleiters 100 entstehende elektrooptische Effekt erzeugt eine Phasenveränderung der Lichtwelle, so daß die Lichtamplitude an der Photozelle 108 nach Übertragung entlang der mit dem Lichtwellenleiter durch Steckverbinder 105 verbundenen Faser folgende wie folgt ist
A = Ao (ωτ + φ)
Beim Kerr-Effekt ergibt sich durch die durch das elektrische Feld E(t) entstehende Phasenverschiebung φ die folgende Beziehung:
φ (t) = (2 π B)LE² (t)
wobei B die Kerr-Konstante ist, die zu einer Suszeptibilität 3.Ordnung, X(3), des Mediums führt.
Handelt es sich bei dem vorherrschenden elektrooptsichen Effekt um den Pockels-Effekt, so ergibt sich φ aus:
φ (t) = (2 π Po)LE(t)
wobei Po die Pockels-Konstante ist, die eine Suszeptibilität 2.Ordnung, X(2), des Materials bedingt.
Der Pockels-Effekt ist bei diesen Materialien auf jeden Fall verstärkt (niedrige Steuerspannung und hoher Durchlaßbereich, da die elektrooptische Interaktionslänge kleiner ist und rein elektronische Phänomene auftreten können), er erfordert jedoch zuvor eine Orientierung der nicht linearen organischen Gruppen und die Stabilisierung dieser Orientierung.
Der Kerr-Effekt ist zwar weniger stark, erfordert jedoch nicht diesen technischen Verfahrensschritt. Beispielhaft sind einige Leistungsdaten in der folgenden Tabelle zusammengestellt: Volt Rad
Wie aus Abbildung 2b ersichtlich, kann die Phasenmodulation, die sich bei einem Aufbau nach Abbildung 2a ergibt, zu einer Intensitätsmodulation durch Interferenz zwischen der den Lichtwellenleiter 100 durchlaufenden Welle und einer Referenzwelle werden, wobei die Referenzwelle durch eine parallel auf dem Lichtwellenleiter zwischen einem ersten 103 und einem zweiten 106 Koppler angebrachten Lichtleitfaser 109 ausgesendet wird. Das an der Photozelle 108 eintreffende Licht hat eine Lichtstärke I, die durch folgende Gleichung mit der einfallenden Lichtstärke Io verbunden ist:
I(t) = Io/2 [I + cos (2 π BLE²(t))] für den Kerr-Effekt und
I(t) = Io/2 [I + cos (2 π PoLE(t))] für den Pockels-Effekt
Aus den vorhergehenden Formeln ist zu ersehen, daß die erzielten Effekte umso stärker sind, je größer die Interaktionslänge L ist. Es gelten jedoch für die Lichtleiterlänge gewisse Einschränkungen, vor allem hinsichtlich der Dämpfung. Bei einer Dämpfung im Bereich von 0,01 dB/cm bis 0,1 dB/cm bei λ = 0,85 um und λ = 1,32 um, ist eine Länge von 10-50 cm zulässig. Außerdem ist aber auch der Durchlaßbereich zu berücksichtigen, und zwar wegen der Laufzeit der Welle, die 5 ns pro Meter des Lichtleiters beträgt, und vor allem wegen der Ansprechzeit der Schaltung infolge des kapazitiven Effekts der Erregervorrichtung. Die Elektrodenbreite muß dann entsprechend verkleinert werden.
Um den größtmöglichen Durchlaßbereich zu erzielen, sollte der Pockels-Effekt dem Kerr-Effekt, dessen Frequenz auf einige Megahertz beschränkt ist, vorgezogen werden. Da der Pockels- Effekt die Suszeptibilität 2. Ordnung bedingt, die nur in einer nicht kontrosymmetrischen Umgebung möglich ist, müssen die Moleküle der elektrooptisch aktiven Substanz im Kern inneren nach Erhalt der Monomode-Faser im allgemeinen z.B. bei 80ºC 24 Stunden lang in Polymethylmethacrylat in einem elektrischen Feld von 0,5 MV/cm, das bis zur Ruckkehr zur Umgebungstemperatur beibehalten wird, warmorientiert werden. So kann man eine 100%ige Modulation mit einer Interaktionslänge L von 10 cm, einem Elektrodenabstand von 20 um und einer Steuerspannung von 10-20 V sowie einer Wellenlänge von 1 um erhalten. Das derart orientierte Material wird vorzugsweise durch Vernetzung zwischen den Ketten mit den aktiven Molekülen stabilisiert. Diese Steuerspannung kann bei Polymersystemen, wie sie von L. Li u.a. in dem Artikel "An all fiber electrooptic Kerr modulation" für das IEEE- Kolloquium über "Advanced fiber waveguide devices" Nr. 1986/79, London, 20. Mai 1986, beschrieben sind, auf 2 V fallen.
Im allgemeinen kann man eine niedrige Steuerspannung mit aktiven Molekülen erhalten, die bei der jeweiligen Wellenlänge eine Suszeptibilität haben, die um den Faktor 2 höher als 3,3.10&supmin;¹&sup4; MKSA bzw. um den Faktor 3 höher als 1,1.10&supmin;¹&sup9; MKSA ist.
Bei einer Suszeptibilität, die um einen Faktor 2 höher als 3,3.10.14 MKSA ist, kann die Orientierung der Moleküle durch Vernetzung stabilisiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Fertigung eines zylindrischen Lichtwellenleiters aus Polymer, das aus den folgenden Schritten besteht:

- Herstellung eines zylindrischen Kernstabes (11) durch Polymerisation einer polymerisierbaren Mischung mit einem insbesondere Kernpolymer,

- Herstellen einer ersten Vorform (10) durch Umhüllung des zylindrischen Kernstabes (11) mit einer optischen Hülle (12) aus einem Hüllpolymer,

dadurch gekennzeichnet, daß die polymerisierbare Mischung des zylindrischen Kernstabs (11) auch eine elektrooptisch aktive organische Substanz enthält, so daß der Kern unter der Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes optisch aktiv ist, wobei dieser Wellenleiter ein Monomode-Wellenleiter ist und eine Modulation der von ihm übertragenen Lichtwelle durch einen elektrooptischen Effekt ermöglicht, wobei dieses Verfahren ferner aus den folgenden Schritten besteht:

- Einfügen der ersten Vorform in eine aus einem Röhrenpolymer bestehende erste Röhre,

- Herstellung einer zweiten Vorform durch teilweises Ziehen der die erste Vorform enthaltenden ersten Röhre,

- Einfügen der zweiten Vorform in eine zweite Röhre aus einem Röhrenpolymer,

- Ausziehen der so hergestellten zweiten Röhre zu einer Faser, bis der Kerndurchmesser die erforderliche Abmessung hat, damit der erhaltene Lichtwellenleiter im Monomodebetrieb arbeitet,

- Herstellung von Polarisations- und Erregerelektroden aus der elektrooptisch aktiven Substanz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ausziehen der zweiten Röhre zu einer Faser diese zweite Röhre (40) dergestalt vorbearbeitet wird, daß Mittel (41, 42, 43, 44) für das Anbringen der Polarisations- und Erregerelektroden (51, 52) geschaffen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernpolymer aus den folgenden Polymeren ausgewählt ist: Methacryl-Polymere, α-Halogenacrylate und Styrole, Carbonate und Vinylcarbonate.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllpolymer identisch mit dem Kernpolymer ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllpolymer durch Polymerisation der polymerisierbaren Kernmischung und Copolymerisation mit einem Monomer mit einem sehr niedrigen Brechungsindex erhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Monomer mit einem sehr niedrigen Brechungsindex aus den folgenden Monomeren ausgewählt ist: fluoriertes Estermethacrylat, pentafluoriertes Styrol, fluoriertes Vinylkarbonat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptisch aktive organische Substanz aus einem solchen Molekül besteht, daß das Kernpolymer eine um den Faktor 3 höhere Suszeptibilität als 1,1.10&supmin;¹&sup9; MKSA bei der jeweiligen Wellenlänge besitzt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erhalt der Monomodefaser die Moleküle der elektrooptisch aktiven organischen Substanz im Kerninneren bei einer Temperatur, die fast der Glasübergangstemperatur des Kernpolymers entspricht, unter der Wirkung eines elektrischen Feldes, das sodann bis zur Rückkehr zur Umgebungstemperatur beibehalten wird, orientiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptisch aktive organische Substanz aus einem solchen Molekül besteht, daß das Kernpolymer nach der Orientierung eine um einen Faktor 2 höhere Suszeptibilität als 3,3.10&supmin;¹&sup4; MKSA bei der jeweiligen Wellenlänge besitzt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der besagten Moleküle durch Vernetzung stabilisiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die polymerisierbare Kernmischung einen Radikalübertragungshemmer enthält.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorbearbeitung der zweiten Röhre zwei diametral gegenüberliegende Abflachungen geschaffen werden, die zur Anbringung der Elektroden dienen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch Vakuum-Metallverdampfung auf den Abflachungen des erhaltenen Monomode-Wellenleiters abgeschieden werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorbereitung der zweiten Röhre zwei symmetrische Längslöcher für die Anbringung der Elektroden geschaffen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch Einspritzen einer Metallegierung in diese Längslöcher hergestellt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese Metallegierung einen Schmelzpunkt besitzt, der mindestens 20ºC und höchstens 40ºC unter der Glasübergangstemperatur des Hüllpolymers liegt.

17. Zylindrischer Monomode-Lichtwellenleiter aus Polymer, der eine Modulation der von ihm übertragenen Lichtwelle durch einen elektrooptischen Effekt ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß er folgendes umfaßt:

- einen Kern (11) aus einer Mischung aus insbesondere einem Kernpolymer und einer elektrooptisch aktiven organischen Substanz, so daß der Kern unter der Wirkung eines äußeren elektrischen Feldes optisch aktiv ist, wobei der Durchmesser (dc) des Kerns die dazu erforderliche Abmessung hat, daß der Lichtwellenleiter ein Monomodeleiter ist,

- eine optische Hülle (40) aus einem Hüllpolymer um den Kern,

- Polarisations- und Erregerelektroden (51, 52) aus der optisch aktiven Substanz.

18. Lichtwellenleiter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernpolymer aus den folgenden Polymeren ausgewählt ist: Methacryl-Polymere, α-Halogenacrylate und Styrole, Carbonate und Vinylcarbonate.

19. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllpolymer identisch mit dem Kernpolymer ist.

20. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllpolymer durch Polymerisation der polymerisierbaren Kernmischung und Copolymerisation mit einem Monomer mit einem sehr niedrigen Brechungsindex erhalten wird.

21. Lichtwellenleiter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Monomer mit einem sehr niedrigen Brechungsindex aus den folgenden Momomeren ausgewählt ist: fluoriertes Estermethacrylat, pentafluoriertes Styrol, fluoriertes Vinylcarbonat.

22. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 17-21, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptisch aktive organische Substanz aus einem solchen Molekül besteht, daß das Kernpolymer eine um den Faktor 3 höhere Suszeptibilität als 1,1.10&supmin;¹&sup9; MKSA bei der jeweiligen Wellenlänge besitzt.

23. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 17-21, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptisch aktive organische Substanz aus einem solchen Molekül besteht, daß das Kernpolymer nach der Orientierung eine um den Faktor 2 höhere Suszeptibilität als 3,3.10&supmin;¹&sup4; MKSA bei der jeweiligen Wellenlänge besitzt.

24. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 17-23, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Metallschichten bestehen, die auf den diametral gegenüberliegenden Abflachungen auf dem Lichtwellenleiter aufgebracht werden.

25. Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 17-23, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Längslöchern im Hüllpolymer bestehen, die mit einer Metallegierung gefüllt sind.

26. Lichtwellenleiter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß diese Metallegierung einen Schmelzpunkt hat, der mindestens 20ºC und höchstens 40ºC unter der Glasübergangstemperatur des Hüllpolymers liegt.