EP1110109A1 - Plastic optical fiber - Google Patents

Plastic optical fiber

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EP1110109A1
EP1110109A1 EP99944383A EP99944383A EP1110109A1 EP 1110109 A1 EP1110109 A1 EP 1110109A1 EP 99944383 A EP99944383 A EP 99944383A EP 99944383 A EP99944383 A EP 99944383A EP 1110109 A1 EP1110109 A1 EP 1110109A1
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EP
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light
optical fiber
absorbing layer
fiber according
vaporization
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Withdrawn
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EP99944383A
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Inventor
Wolfgang Dultz
Walter Heitmann
Erich Becker
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3M Deutschland GmbH
Original Assignee
Quante GmbH
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02033—Core or cladding made from organic material, e.g. polymeric material

Definitions

  • the invention relates to an optical fiber made of plastic.
  • Optical fibers made of plastic represent a transmission medium for light waves that is well suited for wide use in the context of communications technology.
  • plastic mainly polymerized plastics such as polymethyl methacrylate (PMMA) or polystyrene (PS) are used as core material.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PS polystyrene
  • Fluorinated polymers, silicones or PMMA are used as coating substances.
  • plastic optical fibers can be made with large diameters.
  • Plastic fibers have high numerical apertures. They have good breaking strength and are easy to handle. Furthermore, they enable simple connection and connection technology, since they have low precision requirements.
  • the core diameter of a POF almost corresponds to the outside diameter, while for conventional glass fibers it is in the range of the wavelength of the light to be transmitted.
  • Typical diameters of the POF are according to H.Hultzsch: "Optical Telecommunications Systems", Damm-Verlag, Gelsenmaschinen, in the order of 1 mm.
  • plastic fibers run a large number of so-called modes, which are bundles of light that pass through the waveguide at different angles. As the angle increases, the ordinal number of modes increases, the light path in the waveguide lengthens, the number of reflections in the border area between the core and the cladding increases, and the depth of penetration of the light in the cladding increases. Messages are transmitted in the form of light pulses in such light guides. Due to the runtime differences between the modes, the light pulses are greatly broadened (mode dispersion).
  • step mdex fibers are available, which in the best case allow a bandwidth of 170 MHz with a total length of 100 m. However, these values are too low for future broadband networks.
  • the object of the present invention is to provide an optical fiber made of plastic which is comparatively simple and inexpensive to manufacture and which is smaller
  • the core of the fiber made of low-vaporization light-conducting plastic is surrounded by an inner, low-vaporization layer with a lower refractive index and by an outer, strong light-absorbing layer.
  • the present invention describes a new type of step index plastic fiber that can be made by known means. It is preferably provided that the thickness of the low-vaporization layer is between 0.3 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • the core of the fiber made of low-vaporization, light-conducting plastic is surrounded by a light-absorbing layer. In cases where the fiber meets the optical requirements, the intermediate layer can thus be omitted.
  • the fiber is irradiated with a narrow cone of light m, so that only part of the aperture is filled, part of the light output is converted to curvatures or to higher-order modes by nuclear homogeneity. These, in turn, are absorbed by the jacket due to their greater depth of penetration and the higher number of reflections.
  • the light beam remains almost unchanged in the result; it still consists of modes that are mainly close to the axis and has a low mode dispersion. The losses due to the absorption of the high modes are low, since the conversion in higher modes remains limited.
  • the feeding of the fiber according to the invention can also be used with gradient fibers in order to reduce higher-order modes produced by inaccuracies caused by production technology, and to reduce additional dispersion as a result.
  • the thickness of the light-absorbing layer is greater than 1 ⁇ m. It is advantageous if the light-absorbing layer has an attenuation between 10 4 dB / km and 10 7 dB / km.
  • the high vaporization of the light-absorbing layer is achieved by adding small amounts of cobalt, chromium, manganese or iron in a plastic matrix. Doping with rare earth oxides or other substances which have a high absorption in the range of the wavelength of the light to be transmitted are also possible. An addition of 2 ppm cobalt ions leads to a vaporization of 10000 dB / km at a wavelength of the light to be transmitted of 650 nm.
  • Devices are modified in such a way that the substances provided for producing the fiber core and the layers are extruded around one another in an extrusion device by three concentrically arranged spinnerets.
  • Preforms are bars with a typical diameter of a few centimeters and a length m of the order of Im.
  • the end of the preform is heated to pull out the fiber.
  • a plastic rod made of the material provided for the production of the fiber core is surrounded by a sleeve made of the material provided for the production of the light-absorbing layer, the space between the rod and the sleeve containing the the production of the low-vapor layer material provided is filled and that a fiber is drawn from the blank thus obtained.

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Abstract

The invention relates to a plastic optical fiber in which the core of the fiber comprised of a low-loss, light guiding plastic is surrounded by an inner, low-loss layer of a smaller refractive index and by an outer, stronger light-absorbing layer. According to the invention, the core of the fiber comprised of low-loss, light guiding plastic can also be surrounded by a light-absorbing layer.

Description

Lichtleitfaser aus KunststoffOptical fiber made of plastic
Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser aus Kunststoff.The invention relates to an optical fiber made of plastic.
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.Optical fibers made of plastic (POF) represent a transmission medium for light waves that is well suited for wide use in the context of communications technology. For the production of these fibers, mainly polymerized plastics such as polymethyl methacrylate (PMMA) or polystyrene (PS) are used as core material. used. Fluorinated polymers, silicones or PMMA are used as coating substances. In contrast to those made of glass, plastic optical fibers can be made with large diameters. Plastic fibers have high numerical apertures. They have good breaking strength and are easy to handle. Furthermore, they enable simple connection and connection technology, since they have low precision requirements. The core diameter of a POF almost corresponds to the outside diameter, while for conventional glass fibers it is in the range of the wavelength of the light to be transmitted.
Typische Durchmesser der POF liegen nach H.Hultzsch: "Optische Telekommu ikationssysteme" , Damm-Verlag, Gelsenkirchen bei der Größenordnung 1 mm.Typical diameters of the POF are according to H.Hultzsch: "Optical Telecommunications Systems", Damm-Verlag, Gelsenkirchen, in the order of 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) .Due to the large core diameter and numerical apertures, plastic fibers run a large number of so-called modes, which are bundles of light that pass through the waveguide at different angles. As the angle increases, the ordinal number of modes increases, the light path in the waveguide lengthens, the number of reflections in the border area between the core and the cladding increases, and the depth of penetration of the light in the cladding increases. Messages are transmitted in the form of light pulses in such light guides. Due to the runtime differences between the modes, the light pulses are greatly broadened (mode dispersion).
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.So far, only so-called step mdex fibers are available, which in the best case allow a bandwidth of 170 MHz with a total length of 100 m. However, these values are too low for future broadband networks.
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.To increase the transmission bandwidth, work has been going on for many years on the development of gradient plastic fibers which, instead of the step-wise profile, have a parabolic refractive index curve in the fiber core and thereby compensate for the time-delay differences between the modes (see also H.Hultzsch: "Optical Telecommunications Systems", Damm Publishing house, Gelsenkirchen). However, the manufacturing processes for these gradient fibers are very complex and expensive. So far, they have not been commercially available and it is not foreseeable when this type of fiber will be able to be manufactured at economically reasonable prices.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtleitfaser aus Kunststoff anzugeben, die vergleichsweise einfach und preiswert herstellbar ist und die eine geringereThe object of the present invention is to provide an optical fiber made of plastic which is comparatively simple and inexpensive to manufacture and which is smaller
Modendispersion als herkömmliche Stufenmdexfasern aufweist.Has mode dispersion than conventional step mdex fibers.
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.This object is achieved in that the core of the fiber made of low-vaporization light-conducting plastic is surrounded by an inner, low-vaporization layer with a lower refractive index and by an outer, strong light-absorbing layer. The present invention describes a new type of step index plastic fiber that can be made by known means. It is preferably provided that the thickness of the low-vaporization layer is between 0.3 μm and 3 μm. As an alternative to solving the problem, it is proposed that the core of the fiber made of low-vaporization, light-conducting plastic is surrounded by a light-absorbing layer. In cases where the fiber meets the optical requirements, the intermediate layer can thus be omitted.
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 derIf a cone of light is irradiated into the fiber according to the invention, which fills the numerical aperture of the fiber, the higher modes become the cladding and the higher number of the fibers when passing through the fiber due to their greater depth of penetration
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.Reflections absorbed. A narrow cone of light emerges at the end of the fiber with a significantly reduced aperture. It only contains the inner modes with a small atomic number. This results in a significantly increased transmission bandwidth with increased losses. However, because the development of new, low-vaporization plastics is progressing, this disadvantage is not important. In addition, the damping currently achievable with plastic fibers satisfies the requirements of short and medium transmission distances.
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.If, on the other hand, the fiber is irradiated with a narrow cone of light m, so that only part of the aperture is filled, part of the light output is converted to curvatures or to higher-order modes by nuclear homogeneity. These, in turn, are absorbed by the jacket due to their greater depth of penetration and the higher number of reflections. The light beam remains almost unchanged in the result; it still consists of modes that are mainly close to the axis and has a low mode dispersion. The losses due to the absorption of the high modes are low, since the conversion in higher modes remains limited. The feeding of the fiber according to the invention can also be used with gradient fibers in order to reduce higher-order modes produced by inaccuracies caused by production technology, and to reduce additional dispersion as a result.
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.Furthermore, it can be provided that the thickness of the light-absorbing layer is greater than 1 μm. It is advantageous if the light-absorbing layer has an attenuation between 10 4 dB / km and 10 7 dB / km.
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.The high vaporization of the light-absorbing layer is achieved by adding small amounts of cobalt, chromium, manganese or iron in a plastic matrix. Doping with rare earth oxides or other substances which have a high absorption in the range of the wavelength of the light to be transmitted are also possible. An addition of 2 ppm cobalt ions leads to a vaporization of 10000 dB / km at a wavelength of the light to be transmitted of 650 nm.
Zur Herstellung des neuen Fasertyps können bekannteKnown fibers can be used to manufacture the new fiber type
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.Devices are modified in such a way that the substances provided for producing the fiber core and the layers are extruded around one another in an extrusion device by three concentrically arranged spinnerets.
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.So far, plastic fibers have also been drawn from preforms. Preforms are bars with a typical diameter of a few centimeters and a length m of the order of Im. The end of the preform is heated to pull out the fiber. To produce a fiber according to the invention by pulling, it is provided that a plastic rod made of the material provided for the production of the fiber core is surrounded by a sleeve made of the material provided for the production of the light-absorbing layer, the space between the rod and the sleeve containing the the production of the low-vapor layer material provided is filled and that a fiber is drawn from the blank thus obtained.
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. In order to take advantage of the invention, it is also possible to carry out the part of an optical transmission link which is arranged directly in front of a receiver with a fiber according to the invention. The rest of the part is made with a conventional fiber. The end piece of the transmission link acts as a mode filter.

Claims

Ansprüche Expectations
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.1. Optical fiber made of plastic, characterized in that the core of the fiber made of low-vaporization light-conducting plastic is surrounded by an inner, low-vaporization layer with a lower refractive index and by an outer, strong light-absorbing layer.
2. Lichtleitfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dampfungsarmen Schicht zwischen 0,3 μm und 3 μm liegt.2. Optical fiber according to claim 1, characterized in that the thickness of the low-vaporization layer is between 0.3 microns and 3 microns.
3. Lichtleitfaser aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Faser aus dampfungsarmem, lichtleitendem Kunststoff von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben ist.3. Optical fiber made of plastic, characterized in that the core of the fiber made of low-vapor, light-conducting plastic is surrounded by a light-absorbing layer.
4. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht großer als 1 μm ist.4. Optical fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the light-absorbing layer is greater than 1 micron.
5. Lichtleitfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht eine Dampfung zwischen 104 dB/km und 107 dB/km aufweist.5. Optical fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the light-absorbing layer has a damping between 10 4 dB / km and 10 7 dB / km.
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.6. Optical fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the light-absorbing layer to influence its vaporization is mixed with substances which have a high absorption in the wavelength range of the light to be transmitted.
7. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Erhöhung ihrer Dampfung mit Oxiden von Seltene-Erden-Elementen versetzt ist. 7. Optical fiber according to claim 6, characterized in that the light-absorbing layer is mixed with oxides of rare earth elements to increase its vaporization.
8. Lichtleitfaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht zur Erhöhung ihrer Dampfung mit Metallionen versetzt ist.8. Optical fiber according to claim 6, characterized in that the light-absorbing layer is mixed with metal ions to increase its attenuation.
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.9. A process for the production of an optical fiber according to one of the preceding claims, characterized in that the substances provided for the production of the fiber core and the layers are extruded around one another in an extrusion device by concentrically arranged spinnerets.
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 vorgesehenen10. A method for producing an optical fiber according to one of claims 1 or 2, characterized in that a plastic rod made of the material provided for the production of the fiber core with a sleeve provided for the production of the light-absorbing layer
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.Material is surrounded, wherein the space between the rod and the shell is filled with the material provided for the production of the low-vaporization layer and that a fiber is drawn from the blank thus obtained.
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. 11. Transmission link consisting of at least one optically conductive fiber, characterized in that an optical fiber according to one of claims 1 to 8 is arranged in front of a receiver.
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