EP1110109A1

EP1110109A1 - Lichtleitfaser aus kunststoff

Info

Publication number: EP1110109A1
Application number: EP99944383A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dultz; Walter Heitmann; Erich Becker
Original assignee: Quante GmbH
Current assignee: 3M Deutschland GmbH
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2001-06-27
Also published as: US6501894B2; CA2341670A1; WO2000011497A1; US20010024558A1; JP2002523794A

Abstract

Bei einer Lichtleitfaser aus Kunststoff ist der Kern der Faser aus dämpfungsarmem lichtleitenden Kunststoff von einer inneren, dämpfungsarmen Schicht kleinerer Brechzahl und von einer äußeren, stärker lichtabsorbierenden Schicht umgeben. Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß der Kern der Faser aus dämpfungsarmem, lichtleitenden Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.

Description

Lichtleitfaser aus Kunststoff

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser aus Kunststoff.

Lichtleitfasern aus Kunststoff (engl.: plastic optical fibres, POF) stellen ein für den breiten Einsatz gut geeignetes Ubertragungsmedium für Lichtwellen im Rahmen der Nachrichtentechni dar. Zur Herstellung dieser Fasern werden als Kernmateπal hauptsächlich polymeπsierte Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polystyren (PS) verwendet. Als Mantelsubstanzen benutzt man fluorierte Polymere, Silikone oder PMMA. Kunststoff-Lichtleitfasern können im Gegensatz zu solchen aus Glas mit großen Durchmessern hergestellt werden. Kunststoffasern haben hohe numerische Aperturen. Sie weisen eine gute Bruchfestigkeit auf und können leicht gehandhabt werden. Ferner ermöglichen sie eine einfache Verbmdungs- und Anschlußtechnik, da sie geringe Prazisionsanforderungen stellen. Der Kerndurchmesser einer POF entspricht fast dem Außendurchmesser, wahrend er bei den üblichen Glasfasern im Bereich der Wellenlange des zu übertragenden Lichtes liegt.

Typische Durchmesser der POF liegen nach H.Hultzsch: "Optische Telekommu ikationssysteme" , Damm-Verlag, Gelsenkirchen bei der Größenordnung 1 mm.

Wegen der großen Kerndurchmesser und numerischen Aperturen fuhren Kunststoff-Fasern eine große Anzahl von sogenannten Moden, das sind Lichtbundel, die unter verschiedenen Winkeln den Wellenleiter durchlaufen. Mit wachsendem Winkel steigt die Ordnungszahl der Moden, verlängert sich der Lichtweg im Wellenleiter, steigt die Zahl der Reflexionen im Grenzbereich zwischen Kern und Mantel und die Eindringtiefe des Lichts m den Mantel nimmt zu. Nachrichten werden m derartigen Lichtleitern m Form von Lichtpulsen übertragen. Durch die Laufzeitunterschiede zwischen den Moden werden die Lichtpulse stark verbreitert (Modendispersion) .

Bislang sind nur sogenannte Stufenmdexfasern erhältlich, die im günstigsten Fall eine Bandbreite von 170 MHz bei einer Gesamtlange von 100m ermöglichen. Diese Werte sind für zukunftige Breitbandnetze aber zu niedrig.

Zur Erhöhung der Ubertragungsbandbreite wird seit vielen Jahren an der Entwicklung von Gradienten-Kunststoff-Fasern gearbeitet, die statt des Stufenmdexproflls einen parabelformigen Brechzahlverlauf im Faserkern aufweisen und dadurch die LaufZeitdifferenzen zwischen den Moden ausgleichen (siehe auch H.Hultzsch: "Optische Telekommunikationssysteme" , Damm-Verlag, Gelsenkirchen) . Allerdings sind die Herstellungsverfahren für diese Gradientenfasern sehr aufwendig und teuer. Sie sind kommerziell bislang nicht zu verwerten und es ist nicht abzusehen, wann dieser Fasertyp zu wirtschaftlich vertretbaren Preisen herstellbar sein wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtleitfaser aus Kunststoff anzugeben, die vergleichsweise einfach und preiswert herstellbar ist und die eine geringere

Modendispersion als herkömmliche Stufenmdexfasern aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß der Kern der Faser aus dampfungsarmem lichtleitendem Kunststoff von einer inneren, dampfungsarmen Schicht kleinerer Brechzahl und von einer äußeren, starker lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist. Die vorliegende Erfindung beschreibt einen neuen Typ von Stufenindex-Kunststoff-Fasern, der sich mit bekannten Mitteln herstellen laßt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Dicke der dampfungsarmen Schicht zwischen 0,3 μm und 3 um liegt . Alternativ dazu wird zur Losung der Aufgabe vorgeschlagen, daß der Kern der Faser aus dampfungsarmem, lichtleitendem Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist. In Fallen, m denen die Faser den optischen Anforderungen genügt, kann somit die Zwischenschicht entfallen.

Wird m die erfmdungsgemaße Faser ein Lichtkegel eingestrahlt, der die numerische Apertur der Faser ausfüllt, so werden beim Durchlaufen der Faser die höheren Moden aufgrund ihrer größeren Eindringtiefe m den Mantel und der höheren Zahl der

Reflexionen absorbiert. Am Faserende tritt ein schmaler Lichtkegel mit wesentlich verringerter Apertur aus. Er enthalt nur die inneren Moden mit kleiner Ordnungszahl. Dadurch ergibt sich eine wesentlich vergrößerte Ubertragungsbandbreite bei erhöhten Verlusten. Weil aber die Entwicklung neuer, dampfungsarmerer Kunststoffe voranschreitet, ist dieser Nachteil nicht von Bedeutung. Außerdem genügt die zur Zeit mit Kunststoff-Fasern erreichbare Dampfung durchaus den Anforderungen kurzer und mittlerer Ubertragungsstrecken.

Wenn dagegen mit einem schmalen Lichtkegel m die Faser eingestrahlt wird, so daß nur ein Teil der Apertur ausgefüllt wird, wandelt sich ein Teil der Lichtleistung an Krümmungen oder durch Kernmhomogenitaten m Moden höherer Ordnung um. Diese werden wiederum aufgrund ihrer größeren Eindringtiefe m den Mantel und der höheren Zahl der Reflexionen absorbiert. Der Lichtkegel bleibt im Ergebnis nahezu unverändert; er besteht nach wie vor aus vorwiegend achsennahen Moden und weist eine geringe Modendispersion auf. Dabei sind die Verluste durch die Absorption der hohen Moden gering, da die Umwandlung m höhere Moden begrenzt bleibt. Die erfmdungsgemaße Beschickung der Faser kann auch bei Gradientenfasern angewendet werden, um durch fertigungstechnisch bedingte Ungenauigkeiten erzeugte Moden höherer Ordnung und dadurch bedingte zusätzliche Dispersion zu verringern.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht großer als 1 μm ist. Es ist vorteilhaft, wenn die lichtabsorbierende Schicht eine Dampfung zwischen 10⁴ dB/km und 10⁷ dB/km aufweist.

Die hohe Dampfung der lichtabsorbierenden Schicht wird durch den Zusatz kleiner Mengen von Kobalt, Chrom, Mangan oder Eisen m eine Kunststoffmatrix erreicht. Auch Dotierungen mit Seltene-Erde-Oxiden oder anderen Substanzen, die im Bereich der Wellenlange des zu übertragenden Lichtes eine hohe Absorption aufweisen, sind möglich. Ein Zusatz von 2 ppm Kobalt-Ionen fuhrt zu einer Dampfung von 10000 dB/km bei einer Wellenlange des zu übertragenden Lichtes von 650 nm.

Zur Herstellung des neuen Fasertyps können bekannte

Vorrichtungen so modifiziert werden, da die zur Herstellung des Faserkerns und der Schichten vorgesehenen Substanzen m einer Extrudiervorπchtung durch drei konzentrisch angeordnete Spinndüsen umeinander gespritzt werden.

Kunststoff-Fasern werden bislang auch aus Vorformen gezogen. Vorformen sind Stabe mit einem typischen Durchmesser von einigen Zentimetern und einer Lange m der Größenordnung von Im. Das Ende der Vorform wird zum Ausziehen der Faser erwärmt. Zur Herstellung einer erfmdungsgemaßen Faser durch Ziehen ist vorgesehen, daß ein Kunststoffstab aus dem für die Herstellung des Faserkerns vorgesehenen Material mit einer Hülle aus dem für die Herstellung der lichtabsorbierenden Schicht vorgesehenen Material umgeben wird, wobei der Zwischenraum zwischen dem Stab und der Hülle mit dem für die Herstellung der dampfungsarmen Schicht vorgesehenen Material ausgefüllt wird und daß aus dem somit gewonnenen Rohling eine Faser gezogen wird.

Um die Vorteile der Erfindung zu nutzen, ist es auch möglich, denπenigen Teil einer optischen Ubertragungsstrecke, der unmittelbar vor einem Empfanger angeordnet ist, mit einer erfmdungsgemaßen Faser auszufuhren. Der restliche Teil wird mit einer herkömmlichen Faser ausgeführt. Das Endstuck der Ubertragungsstrecke wirkt dabei als Modenfilter.

Claims

Ansprüche

1. Lichtleitfaser aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Faser aus dampfungsarmem lichtleitendem Kunststoff von einer inneren, dampfungsarmen Schicht kleinerer Brechzahl und von einer äußeren, starker lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.

2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dampfungsarmen Schicht zwischen 0,3 μm und 3 μm liegt.

3. Lichtleitfaser aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Faser aus dampfungsarmem, lichtleitendem Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.

4. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht großer als 1 μm ist.

5. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht eine Dampfung zwischen 10⁴ dB/km und 10⁷ dB/km aufweist.

6. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Beeinflussung ihrer Dampfung mit Substanzen versetzt ist, welche m dem Wellenlangenbereich des zu übertragenden Lichtes eine hohe Absorption aufweisen.

7. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Erhöhung ihrer Dampfung mit Oxiden von Seltene-Erden-Elementen versetzt ist.

8. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Erhöhung ihrer Dampfung mit Metallionen versetzt ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Herstellung des Faserkerns und der Schichten vorgesehenen Substanzen m einer Extrudiervorπchtung durch konzentrisch angeordnete Spinndüsen umeinander gespritzt werden.

10. Verfahren zur Herstellung einer Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoffstab aus dem für die Herstellung des Faserkerns vorgesehenen Material mit einer Hülle aus dem für die Herstellung der lichtabsorbierenden Schicht vorgesehenen

Material umgeben wird, wobei der Zwischenraum zwischen dem Stab und der Hülle mit dem für die Herstellung der dampfungsarmen Schicht vorgesehenen Material ausgefüllt wird und daß aus dem somit gewonnenen Rohling eine Faser gezogen wird.

11. Ubertragungsstrecke bestehend aus mindestens einer optisch leitenden Faser, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Empfanger eine Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.