DE2312019A1

DE2312019A1 - Lichtleiter

Info

Publication number: DE2312019A1
Application number: DE19732312019
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr Ing Krumpholz; Stefan Dr Ing Maslowski
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-03-10
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1974-09-12
Also published as: GB1413945A

Description

LICENTIA
Patent-Verwaltungs-GmbH 6000 Jxankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

Ulm (Donau) 9.3.1973 PT-UL/Bs/rß UL 72/196

"Lichtleiter"

Die Erfindung "betrifft einen Lichtleiter mit einem Kernbereich und Mantelbereichen mit unterschiedlicher Brechzahl, wobei der Durchmesser des Kernbereiches sehr viel großer ist als die Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes.

Haehrichtenübertragungssysteme, bei denen als Übertragungsmedium Lichtleiter, beispielsweise aus Glas hergestellte Fasern

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verwendet werden, finden steigendes Interesse.

Die bei diesen Nachrichtenübertragungssystemen zur Übertragung der Nachrichten verwendeten hohen Frequenzen, die im sichtbaren Bereich oder im nahen Ultrarot-Bereich des Spektrums liegen, ermöglichen eine sehr breitbandige Nachridatenübertragung, die zudem wenig störanfällig ist.

Als Übertragungsmedium sollen vorwiegend aus Glas gefertigte Lichtleiter verwendet werden* Bei diesen Lichtleitern unterscheidet man im wesentlichen zwei Arten.

Lichtleiter, bei denen der Durchmesser des Kernbereichs in der Größenordnung der Wellenlänge des übertragen en Lichtes liegt, werden häufig als Monomode- oder Grundmode—Pasern bezeichnet, weil in ihnen nur eine einzige Wellenform des elektromagnetischen Beides ausbreitungsfähig ist. Dieser sehr dünne Eernbereich ist von einem weitaus dickeren Mantelbereich von niedrigerer Brechzahl umgeben. Diese Monomode-Fasern bieten den Vorteil einer extrem geringen Laufzeitverzerrung, sodaß bei Faserlängen von etwa 1 km Übertragungsbandbreiten von größer als 1 GHz möglich sind.

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Nachteilig "bei diesen Monomode-Pasern sind zahlreiche Schwierigkeiten, die sich infolge der geringen Kernbereichsabmessungen bei der Einkopplung und Auskopplung von Licht, bzw. bei der Verkopplung der Fasern untereinander ergeben.

Die in diesen Hachrichtenübertraungssystemen als Sender verwendeten Halbleiterlaser arbeiten meist im sogenannten Multimode-Betrieb. Da zudem ihre lichtemittierende Fläche wesentlich größer als der Querschnitt des Kernbereichs der Glasfaser ist, kann nur ein sehr geringer Bruchteil des vom Laser erzeugten Lichtes in die Faser eingekoppelt werden.

Auch bei der Verkopplung von zwei Konomode-Lichtleitern untereinander ist ein extreme Präzision erforderlich. Venn an einer derartigen Koppelstelle zwischen zwei Monomode-Lichtleitern nicht mehr als etwa 10% des übertragenen Lichtes verloren gehen soll, so darf der Abstand der beidm Stirnflächen voneinander nur wenige Mikrometer betragen.

Die Achsen der Monomode-Lichtleiter müssen auf wenige Bogengrade die gleiche dichtung haben, und sie dürfen nur um einen äußerst geringen Betrag gegeneinander versetzt sein.

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Bei sogenannten Multimode-Lichtleitern ist der Durchmesser des Kernbereichs sehr viel größer als die Wellenlänge des zu

übertragenden. Li dates. Die Wellenlänge des zu übertragenden beispielsweise

Lichtes liegt/in der Größenordnung von 0,9/um . Der Durchmesser des Kernbereichs eines Multimode-Lichtleiters liegt dagegen in der Größenordnung von 50 "bis 100/um . Geometrisch igptisch gesehen durchlaufen alle Lichtstrahlen, die unter einem Winkel auf die Grenzfläche zwischen Kernbereich und Mantelbereich eines derartigen Multimode-Lichtleiters treffen, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflex lon, diesen Multimode-Lichtleiter auf einem ziekzack-^örmigen Ausbreitungsweg. Die Laufzeit der einzelnen Strahlen durch den Lichtleiter ist unterschiedlich und hängt von diesem Auftreffwinkel ab. Ein Lichtstrahl^ der unter einem Auftreffwinkel, von 90°, d. h. axial, durch den Lichtleiter läuft, hat den kürzesten Weg zurückzulegen und wird folglich die kürzeste Laufzeit aufweisen. Den längsten Ausbreitungsweg legt derjenige Lichtstrahl zurück, der unter einem Winkel nahe dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Grenzfläche

β ■ ■

zwischen Kernbereich und Mantelbereich des Lichtleiters auftrifft.

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Venn ein kurzer Lichtimpuls in einen derartigen Multimode-Lichtleiter eingespeist wird, so wird der am Ende des Lichtleiters erhaltene Ausgangsimpuls zeitlich um so mehr verbreitert sein, je mehr Teilstrahlen mit unterschiedlichen Ausbreitungswegen an der Übertragung des Lichtimpulses beteiligt sind. Im Wellenoptischen Bild entsprechen diese Teilstrahlen den im Lichtleiter ausbreitungsfähigen Moden. Die zeitliche Impulsverbreiterung, d. h. die Dispersion, läßt sich aus der unterschiedlichen Ausbreitungskonstante der einzelnen Moden herleiten. Die geringste Dispersion tritt natürlich auf, wenn nur wenige Moden an der Ausbreitung des Lichtes beteiligt sind.

Um bei derartigen Multimode-Lichtleitern zeitlich aufeinanderfolgende Lichtimpulse am Ende des Lichtleiters noch trennen zu können, muß iinfolge der relativ hohen Dispersion eines derartigen Lichtleiters eine relativ geringe . Übertragungsbandbreite in Kauf genommen werden.

Trotz dieser, im Vergleich mit Monomode-Lichtleitern sehr stark reduziertet bandbreite sind Multimode-Lichtleiter

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jedoch auch noch für ein optisches Nachrichtenübertragungssystem interessant. Der wesentlich größere Durchmesser ihres Kernbereichs nämlich erleichtert die Lichteinkopplung und
Licht auskopplung sowie die Verkopplung der Lichtleiter untereinander.

Die Übertragungsbandbreite vonlderartigen Multimode-Lichtleitern wird um so größer sein, je weniger Teilstrahlen an der Lichtübertragung beteiligt sind, und je kleiner ihr
Winkel zur Achse des Lichtleiters ist. Diese Bedingungen
können an sich bei der Einkopplung von Licht in einen derartigen Lichtleiter eingehalten werden. An stets am Lichtleiter vorhandenen Störstellen (Streuzentren) sowie an
Krümmungen des Lichtleiters entstehen jedoch wieder Teilstrahlen mit größeren Winkeln in Bezug auf die Achse des
Lichtleiters. Man sagt auch, es werden Moden höherer Ordnung angeregt. Wenn daduidh die Übertragungsbandbreite nicht herabgesetzt werden soll, so müssen die an den Störstellen entstandenen Moden höherer Ordnung wieder aus dem Lichtleiter entfernt werden.

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Es sind dazu schon einige Verfahren bekannt (V. A. Gambling : Novel Mode Filter For Use Vith Cladded And Liquid-Core Optical Waveguides, Electr. Lett., 8, 10 (1972)).

Dabei wird beispielsweise in gewissen Abständen (etwa 100m) der Querschnitt des Lichtleiters verengt. Die Form der Verengung und die Länge des verengten Stückes müssen so dimenden sioniert sein, daß die höheren Moden dort in den/Kembereich

umgebenden Mantelbereich ausgekoppelt werden.

Der Unterschied in der Brechzahl zwischen Kernberdch und Mantelbereich kann weiterhin sehr klein gewählt werden. Dadurch wird der Grenzwinkel der Totalreflexion sehr groß, bzw. der Winkel zwischen dem Teilstrahl, der im Lichtleiter gerade noch susbreitungsfähig ist und der Achse des Lichtleiters relativ klein. ^

Es ist weiterhin bekannt, den Mantelbereich aus einem verlustreicherem Material herzustellen. Da bei der Totalreflexion die Lichteindringtiefe in diesen Mantelbereich mit abnehmenden Auftreffwinkel zunimmt, so werden unerwünschte Teilstrahlen beim Eindringen in diesen Mantelbereich stärker gedämpft.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Lichtleiter der eingangs genannten Art eine weitere besonders günstige Ausführungsform anzugeben, wodurch unerwünschte Teilstrahlen auf einfache Weise unterdrückt werden können und dadurch die Übertragungsbandbreite eines derartigen Lichtleiters erhöht werden kann.

Die Aufgabe wird erfingungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Lichtleiter der eingangs genannten Art die Dicke eines ersten unmittelbar auf den Kernbereich folgenden Mantelbereichs derart gering ist, daß sich im Kernbereich ausbreitende Lichtstrahlen, die unter einem Winkel, der größer ist als der Winkel der Totalreflexion, auf diesen ersten Mantelbereich auftreffen, diesen Mantelbereich zumindest teilweise durchdringen.

Auf diese Weise wird die Totalreflexion an der Grenzfläche Kernbereich-Mantel teilweise unterbunden. Die Verhinderung der Totalreflexion ist umso stärker ausgeprägt, je stärker die Teilstrahlen gegen die Lichtleitachse geneigt sind, d.h. von öe höherer Ordnung der Lichtleitermodus ist. Auf diese Weise ist es also möglach , höhere Moden einer Multimodefaser stärker zu bedampfen als niedrigere und so die Übertragungskapazität der Easer zu steigern. Je nach Dicke des ersten/

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unmittelbar auf den Kern folgenden Mantelbereichs kann "bei vorgegebenen Brechungsindizes der Bereiche die Übertragungskapazität des Lichtleiters eingestellt werden. Vorzugsweise werden Dicken zwischen 0,3 und 5 Mikrometern gewählt.

Dieser erfindungsgemäße Lichtleiter ist leichter herstellbar als $eneTj bei dem zur Unterdrückung von Moden höherer Ordnung in regelmäßigen Abständen Verengungen des Lichtleiterquerschnitts vorgesehen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 den an sich bekannten Aufbau eines Multimode-Lichtleiters,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Multimode-

Lichtleiters nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 3 einen Querschnitt des Lichtleiters nach Figur

Figur 4· - ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multimode-Lichtleiters _t

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Figur 5 einen Glasaufbau zur Herstellung eines Lichtleiters nach Figur 2,

Figur 6 einen weiteren Glasaufbau zur Herstellung eines Lichtleiters nach Figur 2.

Figur 1 zeigt den an sich bekannten Aufbau eines Kultimode-Lichtleiters. Ein Kernbereich 10 mit einem Durchmesser von etwa 50 - 100 Mikrometern, der ein Vielfaches der Wellenlange des zu übertragenden Lichtes "beträgt, wird von einem Mantelbereich 12 umgeben» Dieser Mantelbereich 12 hat eine geringere Brechzahl als der Kernbereich 10. In diesem Multimode-Lichtleiter können sich Teilstrahlen auf sehr unter— schiedlichen Ausbreitungswegen ausbreiten. In Figur 1 sind als Beispiel zwei derartige Teilstrahlen 16 und 14 abgebildet. Teilstrahl 16 breitet sich auf dem kürzesten möglichen Ausbreitungsweg, parallel zur Achse 18 des Lichtleiters, aus. Teilstrahl 14 dagegen trifft unter einem Winkel 11 auf die Grenzfläche zwischen Kernbereich 10 und Mantelbereich 12 auf und breitet sich durch wiederholte Reflexion an dieser Grenzfläche Zickzack-förmig durch den Lichtleiter aus. Der Ausbreitungsweg dieses Teilstrahls 14- ist natürlich wesentlich länger als jener des Teilstrahls 16, der sich

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parallel zur Achse 18 des Lichtleiters ausbreitet. Um eine große Übertragungsbandbreite zu erhalten, ist man nur an Teilstrahlen interessiert, die sich wie dieser abgebildete Teilstrahl 16 ausbreiten. Teilstrahlen, die sich wie der abgebildete Teilstrahl 14- ausbreiten, will man dagegen möglichst unterdrücken.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Lichtleiters nach der vorliegenden Erfindung abgebildet. Dieser Lichtleiter besteht aus einem Kernbereich 30, der auch wie bei den bisher bekannten MuItimode-Lichtleitern einen Durchmesser hat, der ein Vielfaches der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes beträgt. Unmittelbar auf den Kernbereich 30 folgt ein erster Mantelbereich 3I von sehr geringer Dicke D2. Auf diesen ersten, unmittelbar auf den den Kernbereich 30 folgenden Mantelbereich 31 können weitere Mantelbereiche folgen. In Pigur 2 ist nur ein einziger weiterer Mantelbreich 32 abgebildet. Der Brechungsindex dieses ersten, auf den Kernbereich 30 folgenden Mantelbereichs muß niedriger sein, als der Brechungsindex des angrenzenden Kernbereichs und des angrenzenden zweiten

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ManteTbereichs 32. Dabei ist es jedoch niclit erforderlich, daß die Brechungsindizes von Kernbereich 3° und zweitem Mantelbereich 32 voneinander abweichen. Beispielsweise . können Kernbereich 3° und zweiter ManteIbereich 32 durch-

den

aus/gleichen Brechungsindex haben. Mit 34· ist ein Lichtstrahl bezeichnet, der sich zickzack-förmig in dem dargestellten Lichtleiter ausbreitet. Die AusbreitungsrichtuEg sei durch die Pfeile gekennzeichnet. Dieser Lichtstrahl trifft jeweils unter einem Auftreffwinkel 35 auf <üe Grenzfläche zwischen Kernbereich 30 und erstem Mantelbereich 31 auf,- An dieser Grenzfläche wird ein gewisser Anteil des Lichtes reflektiert. Ein weiterer Anteil, der in Figur 2 gestrichelt dargestellt ist und mit der Ziffer 33 bezeichnet ist, tritt jedoch durch diesen ersten dünnen Mantelbereich 31 hindurch.

Der Anteil des durch den ersten Mantelbereich 3I hindtcrchtretenden Lichtes hängt vom Auftreffwinkel 35 ab sowie von der Schichtdicke D2 dieses ersten Mantelbereichs und vom Unterschied der Brechungsindizes von Kernbereich 3O und erstem Mantelbereich 31* Bei vorgegebenem Brechungsindex-

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■unterschied zwischen dem Kernbereich 30 und dem ersten Mantelhereich 31 sowie hei vorgegebener Dicke D2 des ersten Mantelhereichs 31 hängt der Anteil des durch diesen ersten Mantelhereich hindurchtretenden Lichtes nur vom Auftreffwinkel 35 ah. Der hindurchtretende Anteil des Lichtes ist dabei umso größer, je näher dieser Auftreffwinkel 35 am Grenzwinkel der Totalreflexion liegt. Der Sinus dieses Grenzwinkels der Totalreflexion ist bekanntlich gegeben durch den Quotienten der Brechungsindizes von diesem ersten Mantelbereich 31 und dem Kernbereich 30.

Pigur 3 zeigt einen Querschnitt des in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Lichtleiters mit einem Kernbereich 30 einem ersten Mantelbereich 31 "und einem weiteren Hantelbereich 32.

In beiden Figuren ist die Dicke des ersten Mantelbereichs 31 nicht maßstabsgetreu, sondern verglichen mit dem Durchmesser des Kernbereichs 30 und der Dicke des weiteren Mantelbereichs 32 übertrieben stark dargestellt.

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In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multimode-Lichtleiters dargestellt. Mit 40 ist der Kernbereich des Lichtleiters bezeichnet, dessen Durchmesser wiederum ein Vielfaches der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtes beträgt.

Auf diesen Kernbereich 40 folgt ein erster sehr seh? dormer Mantelbereich 41, dessen Brechungsindex geringer ist als der Brechungsindex des vorgenannten Kernbereichs. Auf diesen sehr dünnen Mantelbereich, folgt ein zweiter Mantelbereich 42, dessen Dicke wiederum viele Wellenlängen des im Kernbereich 40 fortgeleiteten Lichtes betragen kann. Der Brechungsindex dieses Mantelbereichs 42 muß wiederum größer sein als jener des ersten dünnen Mantelbereichs 41. Es ist möglich, daß Kernbereich 40 und zweiter Mantelbereich 42 den gleichen Brechungsindex haben. Mit 43 ist ein weiterer, auf den Mantelbereich 42 folgender Mantelbereich bezeichnet. Dieser Manteilbereich 43 wird vorzugsweise aus einem Glas hergestellt, das das im Kernbereich 40 fortgeleitete Licht stark absorbiert. Dadurch läßt sich mit Sicherheit verhindern, daß aus dem Kernbereich-40 ausgetretenes Licht, das durch den ersten Mantelbereich 41 in die Mantelbereiche 42 und 43 eingedrungen ist, unter Umständen mit nennenswerter Intensität in den Kernbereich zurückkehrt.

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In Figur 5 ißt ein Glasaufbau abgebildet, der sieb, besonders gut; als Ausgangsmaterial zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lichtleiters nach Figur 2 eignet.

Dieser Glasaufbau besteht aus einem Glasrohr 52 in dessen Bohrung ein Glaszylinder 5° eingeführt ist.

Auf seinem Außenmantel trägt dieser Glaszylinder 50 eine Glasschicht 51* deren Brechungsindex von jenem des Glaszylinders 50 abweicht. Durch Erhitzen und Ausziehen lassen sich auf bekannte VeLse aus diesem Glasaufbau Glasfasern zur Lichtleitung herstellen.

Dabei entsteht aus dem Glaszylinder 50 der Kernbereich, aus der Glasschicht 51 ä-er erste, dünne Hantelbereich und aus dem Glasrohr 52 der zweite Mantelbereich des erfindungsgemäßen Lichtleiters im Ausführungsbeispiel nach Figur 2.

Ein weiterer, in Figur 6 abgebildeter Glasaufbau, ist ebenfalls zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lichtleiters geeignet.

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Abweichend vom Glasaufbau nach Figur 5 ist eine als erster Manterbereich des Lichtleiters vorgesehene Glasschicht 61 auf der Innenwandung eines Glasrohrs 62 aufgebra cht. Ein in die Bohrung des Glasrohrs eingeführter, homogener Glaszylinder 60 wird zum Kernbereich des Lichtleiters ausgezogen.

Die bisherige Beschreibung hat sich bisher auf Lichtleiter "beschränkt, die aus unterschiedlich dotierten Glasschichten aufgebaut sind. Das erfindungsgemäße Aufbauprinzip eines Lichtleiters zur Unterdrückung unerwünschter Moden läßt sich jedoch auch auf Lichtleiter ausdehnen, die nicht aus Glas bestehen.

Beispielsweise können Kernbereich und Mantelbereiche der in Figur 2 oder Figur 4- abgebildeten Lichtleiter aus Kunststoffschichten mit entsprechendem Brechungsindex hergestellt werden. *

Es ist weiterhin denkbar, daß der Kernbereich und/oder Mantelbereiche eines Lichtleiters aus Flüssigkeiten mit geeignetem Brechungsindex bestehen.

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Claims

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Patentansprüche

Lichtleiter mit einem Kernbereich und Mantelbereichen von unterschiedlicher Brechzahl, wobei der Durchmesser des Kernbereichs sehr viel größer ist als die Wellenlänge des übertragenden Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D2, D4) eines ersten, unmittelbar auf den Kernbereich (30, 40) folgenden Mantelbereichs (31, 41) derart gering ist, daß sich im Kernbereich (30, 40) ausbreitende Lichtstrahlen (34, 44), die tmter einem Winkel (35, 45) der größer ist als der Winkel der Totalreflexion, auf diesen ersten Mantelbereich (31, 41) auftreffen, diesen Mantelbereich zumindest teilweise durchdringen.
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kernbereich (3O)₅ einem ersten Mantelbereich (31) und einem weiteren Mantelbereich (32) besteht.

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3. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kernbereich (40), einem ersten Mantelbereich (41), einem zweiten Mantelbereich (42) und einem weiteren Mantelbereich (4-3) "besteht.
4·. Lichtleiter nach den Ansprüchen 2 oder 3» dadurch- gekennzeichnet, daß Kernbereich und Mantelbereich des Lichtleiters aus Glas bestehen.
5. Lichtleiter nach den Ansprüchen 3 und- 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelbereich (43) aus Glas besteht, das das im Kernbereich (40) fortgeleitete Licht stark absorbiert.
6. Lichtleiter nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kernbereich und Mantelbereiche des Lichtleiters aus Kunststoff bestehen.
7. Lichtleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelberei'Che (31, 41) einen niedrigeren Brechungsindex haben als die Kernbereiche (30, 40) und die Mantelbereiche (32, 42).

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8. Lichtleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbereiche (30, 40) den gleichen Brechungsindex haben ■wie die Mantelhereiche (32,, 42).
9. Lichtleiter nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbereiche (30? 4-0) einen von den Mantelbereichen (32, 42) abweichenden Brechungsindex haben.
10. Lichtleiter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke- <D2_t"-D4) des ersten Mantelbereichs (30, 40) zwischen 0,3 ⁴UnCL 5 Mikrometern liegt.

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