DE2907650C3

DE2907650C3 - Multimode-Lichtleiter

Info

Publication number: DE2907650C3
Application number: DE2907650A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dr.-Phys. 6451 Hammersbach Bonewitz; Albert 6230 Frankfurt Muehlich; Dipl.-Phys. Dr. Karlheinz 6450 Hanau Rau
Original assignee: Heraeus Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzschmelze GmbH
Priority date: 1979-02-27
Filing date: 1979-02-27
Publication date: 1981-08-13
Also published as: US4392715A; DE2907650A1; GB2044477B; FR2450466A1; GB2044477A; DE2907650B2; NL8000905A; FR2450466B1; JPS55117104A

Description

a) »κ - («κ - "Af) · 0,8 < n_Aus < n_K - (n_K - n_M) · 0,25

b) 0,8 μΐη < d_Aus < 8 μπι.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

"x - ("κ - "Af) · 0,6 < n_Aus < n_K - (n_K - n_M) ■ 0,4 d_Aus — 2 bis 6 am.

3. Lichtleiter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß riAm über die gesamte Dicke der Außenschicht konstant ist.

4. Lichtleiter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich /^_1n mit zunehmendem Abstand von der Kernachse verkleinert.

5. Lichtleiter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht des Kerns aus fluor- oder bordotiertem Quarzglas besteht.

6. Lichtleiter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kernteil aus mit den Brechungsindex erhöhendem Mittel dotiertem Quarzglas besteht.

7. Lichtleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht des Kerns aus Quarzglas und der innere Kernteil aus mit den Brechungsindex erhöhendem Mittel dotiertem Quarzglas besieht.

8. Lichtleiter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzglas des inneren Kernteils und der Außenschicht ein synthetisches aus Siliziumhalogeniden hergestelltes Quarzglas ist, dessen OH-Gehalt weniger als 10 ppm beträgt.

9. Lichtleiter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffmantel aus Silikonharz oder Polytetrafluoräthylen besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Multimode-Lichtleiter mit einem im wesentlichen aus Quarzglas bestehenden Kern vom Brechungsindex n_K, mit einem wenigstens auf einer Länge von 10 m — gerechnet vom Lichteinkoppelende der Faser — optisch wirksamen Mantel aus Kunststoff, dessen Brechungsindex πμ kleiner ist als der des Kerns und mit einer an den Kern angrenzenden und zwischen Kern und Mantel liegenden Außenschicht der Dicke d*_m mil einem Brechungsindex παμ an der Grenzfläche Kern — Außenschicht, der kleiner ist als der Brechungsindex des Kerns und größer als der Brechungsindex des Mantels.

Aus der US-PS 38 69 194 sind Lichtleiter bekann), deren Kern aus glasigem Werkstoff besteht und die einen Mantel aus optisch wirksamen Kunststoff aufweisen. Gegenüber Lichtleitern, deren Kern und

ίο Mantel aus glasigem Werkstoff bestehen, besitzen die Lichtleiter mit einem optisch wirksamen Kunststoffmantel den Vorteil, daß sie preiswerter herstellbar sind. Die kunslstoffummantelten Lichtleiter mit Glaskern weisen eine hohe numerische Apertur auf im Vergleich zu Lichtleitern mit Kern und Mantel aus glasigem Werkstoff.

An der Grenzschicht zwischen dem Kern aus glasigem Werkstoff und dem optisch wirksamen Mantel aus Kunststoff erfolgt eine Totalreflexion des im Kern des Lichtleiters geführten Lichtes. Die Verbindung von Kern- und Mantelwerkstoff erfordert ein Höchstmaß an Sorgfalt, jedoch sind Streuverluste an der Grenzfläche zwischen Kern- und Mantelwerkstoff auf Grund von Fehlstellen, Staubteilchen oder dergleichen unvermeid-

2-3 bar.

Deshalb wurde auch schon vorgeschlagen, zur Verminderung der Streuverluste die Lichtleiter mit Glaskern und Kunststoffmantel durch solche Lichtleiter zu ersetzen, die nur aus einem Kernmaterial bestehen.

jo Zu diesem Zweck hai man gemäß der DE-AS 19 01 053 die Außenschicht des Kernmaterials durch einen Diffusionsprozeß so verändert, daß sie wie ein Mantel wirkt. Dann liegt aber wieder der schon eingangs erwähnte Lichtleiter vor, der nur aus glasigen Werkstoffen besteht und der eine niedrigere numerische Apertur besitzt.

Bekannt ist aus der DE-OS 23 12 019 ein Multimode-Lichtleiter mit einem Kern und mehreren Mantelbereichen, deren Brcchungsindices kleiner sind als der Brechungsindex des Kerns, wobei der erste Brechungsindex des auf den Kern folgenden Mantelbereichs derart gering ist, daß sich im Kern ausbreitende Lichtstrahlen, die unter hinein Winkel, der größer ist als der Winkel der Totalreflexion, auf diesen ersten Mantelbereich auftreffen, diesen Mantelbereich zumindest durchdringen. Der Brechungsindex des auf den Kern folgenden Mantelbereichs ist niedriger als der des an ihn angrenzenden Kerns und angrenzenden zweiten Mantelbereichs. Als Werkstoff für den Kern und die Mantelbereiche werden immer die gleichen Werkstoffe verwendet, nämlich beidesmal Glas oder beidesmal Kunststoff. Bei diesem Lichtleiter werden unerwünschte Teilstrahlen unterdrückt, d. h. Moden höherer Ordnung werden stärker gedämpft als die niedrigerer Ordnung und dadurch seine Übertragungsbandbreite erhöht. Bei der Verwendung von Glas mit niedrigem Dämpfungswert als Werkstoff für den Lichtleiter ist die Herstellung dieses Lichtleiters kostspielig; bei Verwendung von Kunststoff als Werkstoff für den Lichtleiter ergeben sich sehr hohe Dämpfungswerte.

Aus der DE-OS 24 19 786 sind Lichtleiter bekannt, bei denen der Kern von einem niedrigbrechenden Mantel und dieser Mantel von mindestens einem weiteren Mantel umgeben ist, der eine niedrigere Brechzahl als die des ersten Mantels aufweist. Dabei wird weiterhin gefordert, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des zweiten Mantels niedriger ist als der des Werkstoffes des ersten Mantels, um so die

mechanische Festigkeit der faserformigen Lichtleiter zu verbessern.

Die DE-OS 24 27 351 offenbart einen Multimode-Lichtleiter mit einem Kern aus wenigstens zwei in sich homogenen, konzentrisch zueinander angeordneten Zonen aus lichtleitenden, festen Stoffen mit jeweils unterschiedlichem Brechungsindex, wobei dieser Kern von einem Mantel umgeben ist. Dabei ist der Radius der inneren Kernzone möglichst klein gegenüber der Stärke der umgebenden Kernzone um günstige Werte für di.' zu übertragende Bit-Rate zu erwarten.

Wenn man im Hinblick auf den Preis der Herstellung eines Lichtleiters und dessen Übertragungseigenschaften den Stand der Technik tabellarisch zusammenstellt, so ergibt sich folgende Reihenfolge (wobei Preis und Güte der Übertragungseigenschaft mit steigender Ziffer zunehmen):

1. Glaskern mit optisch wirksamem Kunststoffmantel,

2. Glaskern mit Glasmantel (Stufenprofil-Faser), gegebenenfalls mit optisch unwirksamer Kunststoffschutzschicht,

3. Glaskern, der Brechnungsindex-Gradient aufweist, mit Glasmantel,

4. Glaskern mit sehr kleinem Durchmesser und mit Glasmantel (Monomod-Faser).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Multimode-Lichtleiter mit großer normaler numerischer Apertur von größer 0,22 zu schaffen, bei dem die effektive numerische Apertur als Funktion der Faserlänge weniger stark als beim Stand der Technik abfallen soll, wo diese durch Dämpfung von Moden höherer Ordnung abgesenkt wird. Hierbei soll dieser Lichtleiter bei relativ hoher Übertragungsbandbreite im Nahbereich (10 m bis 1000 m) wesentlich preiswerter herstellbar sein als dafür geeignete andere Lichtleiter, wie beispielsweise Glas-Gradientenfasern.

Gelöst wird diese Autgabe bei einem Multimode-Lichtleiter der eingangs charakterisierten Art erfindungsgemäß durch folgende Kombination von Merkmalen:

a) «κ - («κ - «mI · 0,8 < n_Au, < n_K - (n_K - n_M) · 0,25

b) 0,8 μνη < d_Aus < 8 μηπ.

Bewährt hat sich eine Außenschicht, deren Dicke 2 bis 6 μη! beträgt und für deren Brechungsindex n_Aus gilt

^ ¹¹Au* ^ »κ - ("κ -

Besonders gute Resultate liefern Lichtleiter gemäß der Erfindung, bei denen die Dicke der Außenschicht 4 μηι und

η Am =n j. - (πκ — η«) · 0,5

beträgt. Der Brechungsindex der Außenschicht des Kerns ist vorteilhafterweise über die gesamte Schichtdicke konstant. Die Erfindung umfaßt aber auch solche Lichtleiter, bei denen sich der Brechungsindex der Außenschicht mit zunehmendem Abstand von der Kernachse verkleinert. Voraussetzung ist lediglich, daß der Brechungsindex innerhalb des beanspruchten Bereichs liegt. Bewährt haben sich Multimode-Lichtleiter, bei denen die Außenschicht des Kerns aus fluor- oder bordotiertem Quarzglas besteht. Der innere Kernteil der erfindungsgemäßen Multimode-Lichtleiter besteht aus Quarzglas oder aus. mit den Brechungsindex

erhöhendem Mittel dotiertem Quarzglas. Als solche den Brechungsindex erhöhenden Mittel werden, wie bekannt. Germanium-, Phosphor-, Titan-, Aluminium-Verbindungen benutzt. Wenn der innere Kernteil der erfindungsgemäßen Lichtleiter aus mit den Brechungs index erhöhendem Mittel dotiertem Quarzglas besteht, so läßt sich als Außenschicht eine undotierte Quarzglas schicht verwenden.

Erfindungsgeniäß ausgebildete Multimode-Lichtleiter besitzen den Vorteil, daß an der Kernaußenschicht, deren Brechzahl und Dicke den beansprucnten Bedingungen genügt, ein wesentlicher Teil des eingekoppelten Lichts total reflektiert wird, wahrend ein verminderter Teil an der Grenzschicht zwischen der Kcrnaußenschicht und dem Kunststoffmantel total reflektiert wird. Der letztgenannte Anteil ist zwar nicht mehr so hoch wie bei den bekannten Lichtleitern mit Quarzglaskern und optisch wirksamem Kunststoffmantel, er ist aber nicht vernach'ässigbar gering, was bedeutet, daß der Kunststoflman el der erfindungsgemäßen Multimode-Lichtleiter noch eine optische Wirkung hat. Die erfindungsgemäßen Lichtleiter weisen eine etwa gleich große numerische Apertur auf wie die bekannten kunststoffummantelten Quarzglasfasern, die der Bre:h-Zahldifferenz zwischen dem Brechungsindex des inne ren Kernteils und dem Kunststoffmantel entspricht. Gegenüber den bekannten Lichtleitern mit Quarzglas kern und optisch wirlcsamem Kunstoffmantel besitzen die erfindungsgemäßen Lichtleiter mit der speziellen Kernaußenschicht geringere Lichtverluste. die umgerechnet auf eine Länge von 1 km etwa um 50% niedriger liegen als die der bekannten kunststoffumman telten Quarzglasfaser.

Als Werkstoffe für den Kunststoffmantel haben sich insbesondere bewährt Silikonharze, wie beispielsweise das Silikonharz der Firma Shin-Etsu Chemicals KE 10.1 RTV, und Polytetrafluorethylen.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Mullimo de-Lichtleiter können die bekannten Herstellungsver fahren für kunststoffummantelte Quarzglasfasern benutzt werden, wie sie beispielsweise in der eingangs genannten US-PS 38 69 194 in den F i g. 8 und <·) beschrieben sind als Ausgangsmaterial kann anstelle eines Quarzglasstabes ein Stab benutzt werden, dessen innerer Kernteil aus Quarzglas besteht. Solche Ausgangsmaterialien können beispielsweise in der Weise hergestellt werden, wie dies in der DE-AS 25 36 45b beschrieben ist.

In der eingangs angegebenen tabellarischen Übersieht ist der erfindungsgemäße Multimode-Lichtleiter zwischen den Ziffern 1 und 2 einzuordnen.

In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Multimode-Lichtleiter gemäß der Erfindung dargestellt.

In der Fig. 2 ist schematisch die Herstellungsweise des erfindungsgemäßen Multimode-Lichtleiters dargestellt.

In der F i g. 1 ist der innere Kernteil mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Erbesteht aus Quarzglas, und! zwar aus synthetischem, aus gasförmigen Siliziumhalogeniden gewonnenem Quarzglas, das weniger als 10 ppm OH-lonen und im nahen Infrarotspektralbereich optische Totalverluste von weniger als 4 dB/km, in der Masse gemessen, aufweist. Die Außenschicht 2 des Kerns besteht aus fluordotiertem, synthetischem Quarzglas mit einem Fluorionengehalt von 30CjO ppm Fluor-Ionen und weniger als 10 ppm OH-Ionen. Mit der Bezugsziffer 3 ist der Kunststoffmantel bezeichnet, der aus Silikonharz besteht.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Multimode-Lichtleiters ist der schematischen F i g. 2 zu entnehmen. Mit der Bezugsziffer 4 ist ein stabförmiges Halbzeug bezeichnet, das aus einem inneren Kernteil von synthetischem Quarzglas besteht und einem Außenteil aus fluordotiertem synthetischem Quarzglas (die übrigen Materialeigenschaften von innerem Kernteil und Außenschicht entsprechen den Angaben zu F i g. 1). Der Stab 4 ist innerhalb einer Heizeinrichtung 5 angeordnet und wird dort auf Ziehtemperatur erhitzt. Die gezogene Faser durchläuft dann eine Kunststoffbeschichtungseinrichtung 6, worin sich der Mantelwerkstoff aus Silikonharz in flüssigem Zustand befindet. Der aus der Vorrichtung 6 austretende Lichtleiter besitzt dann einen Aufbau, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Er kann danach in üblicher Weise auf eine Trommel 7 aufgewickelt werden. Wenn für die Kunstoffbeschichtungsvorrichtung ein Extruder verwendet wird, ist keine Aushärtungsanlage zwischen der Beschichtungsvorrichtung und der Aufwickeltrommel 7 einzuschalten, wie dies

ίο beim Ausführungsbeispiel durch die Bezugsziffer 8 dargestellt wird.

Hierzu J Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Multimode-Lichtleiter mit einem im wesentlichen aus Quarzglas bestehenden Kern vom Brechungsindex /Jk, mit einem wenigstens auf einer Länge von 10 m — gerechnet vom Lichteinkoppelende der Faser — optisch wirksamen Mantel aus Kunststoff, dessen Brechungsindex πμ kleiner ist als der des Kerns und mit einer an den Kern angrenzenden und zwischen Kern und Mantel liegenden Außenschicht der Dicke d,\_ui mit einem Brechnungsindex n,\m an der Grenzfläche Kern — Außenschicht, der kleiner ist als der Brechungsindex des Kerns und größer als der Brechungsindex des Mantels, gekennzeichnet durch folgende Kombination von Merkmalen: