DE1640559C3

DE1640559C3 - Dielektrischer Wellenleiter

Info

Publication number: DE1640559C3
Application number: DE1640559A
Authority: DE
Inventors: Charles Cecil Eaglesfield; Charles Kuen Kao
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1966-10-18
Filing date: 1967-10-17
Publication date: 1980-04-17
Also published as: GB1145630A; DE1640559A1; CH477099A; DE1640559B2; US3549233A

Description

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Wellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung bei herabgesetzter Modendispersion, bestehend aus einem zylindrischen Kern aus dielektrischem Werkstoff mit hoher Transparenz und einer ihn in inniger Berührung umgebenden ersten zylindrischen Schicht aus transparentem dielektrischen Werkstoff, deren Brechungsindex kleiner ist als der des Kerns.

Solche dielektrische Wellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung sind beispielsweise bekannt aus dem Aufsatz von K. C. Kao und G. A. Hockham: »Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies«, der in »Institution of Electrical Engineers Proceedings«, Heft 7/1966, Seiten 1151 bis 1158, veröffentlicht ist

Bei diesen Wellenleitern handelt es sich um sogenannte Multimode-Fasern, in denen sich eine große Anzahl von Weilentypen, welche auch Moden genannt werden, ausbreiten können.

Die verschiedenen Wellentypen durchlaufen den Wellenleiter mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, so daß die von den verschiedenen Wellentypen übertragenen Nachrichten am Ende des Wellenleiters zu unterschiedlichen Zeiten ankommen, obwohl sie an seinem Anfang gleichzeitig abgesandt werden. Dadurch entsteht eine Verzerrung der übertragenen Information.

Zur Verringerung dieser Verzerrung, die auch Modendispersion genannt wird, wird dort durch eine entsprechende Dimensionierung die Anzahl der Wellentypen, die sich in ihm ausbreiten können, sehr stark herabgesetzt Dies kann entweder dadurch erreicht werden, daß der Kerndurchmesser verkleinert oder die Differenz der Brechungsindizes von Kern und Schicht verkleinert wird. Wenn man beispielsweise den bekannten Wellenlei ter so ausbildet, daß sich in ihm nur ein Wellentyp fortpflanzt und bei ihm die Differenz der Brechungsindizes von Kern und Schicht 1% beträgt, dann muß der Kern einen sehr geringen Durchmesser von beispielsweise 3 μπι besitzen. Ein solcher Wellenleiter weist den

is Nachteil auf, daß das Einleiten der zu übertragenden Wellen, das Verbinden der Fasern und die Herstellung von Kupplungen außerordentlich erschwert ist Wird dagegen die Differenz der Brechungsindizes auf 0,01% verringert, so kann der Wellenleiter einen wesentlich dickeren Kern, beispielsweise mit einem Durchmesser von 30 μπι besitzen. Ein solcher Wellenleiter besitzt aber den Nachteil, daß er an Krümmungen beträchtliche Strahlungsverluste aufweist, so daß er schwierig zu einem Kabel zu verseilen und zu verlegen ist

Durch eine Verringerung der Anzahl der Moden, im Extremfall auf einen einzigen Mode, wird die Modendispersion zwar herabgesetzt jedoch gilt dies nur für die durch die Kernmoden verursachte Modendispersion. Die Moden, die sich in der den Kern umgebenden Schicht dem Mantel, ausbreiten, sind dabei nicht berücksichtigt Im Zusammenwirken mit dem Kernmode oder den Kernmoden bewirken sie eine durch Laufzeitunterschiede bedingte Modendispersion, die die Qualität der optischen Nachrichtenübertragung beein-

)5 trächtigt Für die optische Nachrichtenübertragung wäre daher ein Wellenleiter erwünscht bei dem die Modendispersion durch eine Dämpfung dieser sogenannten Mantelmoden herabgesetzt is' Zur Frage des geeigneten Mantelaufbaues eines

4n dielektrischen Wellenleiters ist neben dem bisher betrachteten Gesichtspunkt der durch Mantelmoden verursachten Modendispersion noch der folgende Gesichtspunkt zu berücksichtigen. Bei dielektrischen Wellenleitern breitet sich die optische Energie nicht nur

4~> im Kern des Wellenleiters aus, da das Feld bei der Reflexion an der Grenzfläche in den nahe am Kern gelegenen Teil des Mantels eindringt. Obwohl das Feld im Mantel mit zunehmendem Radius sehr rasch abfällt und bereits in einem geringen Abstand vom Kern als

vt vernachlässigbar betrachtet werden kann, ist es doch erforderlich, auch den Mantel aus einem kostspieligen Werkstoff mit hoher Transparenz herzustellen.

Im allgemeinen wird daher angestrebt, die Dicke der diesen Mantel bildenden Schicht gering zu halten, sei es

^r>5 um die Werkstoffkosten zu vermindern, den Raumbedarf klein zu halten oder die Biegefähigkeit zu erhöhen. Je nach der für die Übertragung verwendeten Wellenlänge kann der eine oder andere Gesichtspunkt an Gewicht gewinnen und die Dimensionierung

w) beeinflussen.

In jedem Fall muß die Schichtdicke so groß sein, daß praktisch das gesamte Feld des Grundwellentyps darin eingeschlossen ist. Bei der Übertragung von Wellenlängen im Millimeterbereich bestimmt der Raumbedarf die

h5 Dimensionierung, und die Schichtdicke kann auf ca. 10 Wellenlängen begrenzt werden, vorausgesetzt, die Differenz der Brechungsindizes ist groß. Bei kürzeren optischen Wellenlängen kann eine

geringere Differenz der Brechungsindizes und eine Schichtdicke von etwa 100 Wellenlängen gewählt werden.

Andererseits gibt es Anwendungsfälle für dielektrische Wellenleiter, bei denen die Modendispersion in keiner Weise störend ist, beispielsweise die Bildübertragung über ein Bündel solcher Wellenleiter über kurze Entfernungen.

Diese Anwendungsfälle sind bekannt u.a. aus dem Aufsatz von A. C. S. van Heel: »A New Method of transporting Optical Images without Aberrations«, veröffentlicht in »Nature«, Jan. 2,1954, S. 39, und aus der US-PS 32 53 896.

Die Wellenleiter werden dort nicht einzeln zur Übertragung einer Folge von Nachrichtensignalen verwendet, sondern in einem Faserbündel, über das ein Bild über Kurze Entfernungen übertragen werden soll. Dazu muß der einzelne Wellenleiter möglichst viel Licht, d. h. möglichst viele Moden leiten und gut gegen die benachbarten Leiter optisch isoliert sein. Eine Modendispersion hat daher, wie oben anjjsdeutet, keinen schädlichen Einfluß.

Die in diesen Literaturstellen beschriebenen Wellenleiter bestehen aus einem Kern und zwei Mantelschichten. Die innere Mantelschicht hat einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern und ermöglicht die zur Lichtführung notwendige Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel.

Die äußere Mantelschicht dient nur zur optischen Isolierung gegen in einem Bündel benachbarte Wellenleiter. Bei dem Wellenleiter nach der Literaturstelle »Nature« ist die äußere Mantelschicht eine schwarze Farbschicht Bei der US-PS 32 53 896 ist die äußere Mantelschicht eine Glasschicht, die einen bestimmten Brechungsindex und/oder eine bestimmte Farbe hat Die Glasschicht soll niedrig schmelzend sein, um die einzelnen Wellenleiter eines Bündels durch Zusammenschmelzen der äußeren Schichten mechanisch fest miteinander z'.i verbinden.

Die für einen Einzel-Wellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung zum Zweck der Verringerung der Modendispersion erwünschte hohe Bedämpfung der Mantelmoden wird jedoch mit den bekannten Absorptionsschichten nur unvollkommen erreicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eirwjn dielektrischen Wellenleiter der eingangs genannten Art für die optische Nachrichtenübertragung anzugeben, der die Modendispersion verringernde Eigenschaften hat und der dennoch keinen Kern rait einem kleinen Durchmesser haben muß und bei dessen Herstellung nur noch eine geringere Nienge des teueien Werkstoffes mit hoher Transparenz benötigt wird.

Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 enthalten.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch den neuen dielektrischen Wellenleiter und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Wellenleiter gemäßFig. I.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Wellenleiter besteht der Kern 1 aus einer Glasfaser, die von einer inneren Glasschicht 2 umgeben ist, welche ihrerseits mit einer äußeren Glasschicht 3 uirnantelt ist. Seine Herstellung kann in folgender Weise erfolgen. Ursprünglich besitzen der Kern und die beiden Schichten einen größeren

ι ο

Durchmesser und sind koaxial zueinander angeordnet Diese Anordnung wird erhitzt, bis das Glas flüssig wird. Gleichzeitig wird die konzentrische Anordnung in Längsrichtung gestreckt, bis die Fasern die gewünschten Dimensionen besitzen. Beim Ziehen des zähflüssigen Glases schrumpfen die ursprünglich getrennten Schichten ineinander. Der Brechungsindex des Kerns und der Schichten und die Durchlässigkeit der äußeren Schicht hängen von der Zusammensetzung der verwendeten Gläser ab.

Bezüglich des Brechungsindexes ist folgendes festzustellen: Der Brechungsindex eines idealen, vollständig transparenten Werkstoffes ist eine reelle Größe und wird mit η bezeichnet Jeder physikalische Werkstoff besitzt jedoch bestimmte Verluste; daher ist sein Brechungsindex eine komplexe Größe, welche mathematisch als n+ik geschrieben wird. Darin ist π der Realteil und Ar der Imaginärteil des Brechungsindexes. Da im allgemeinen k sehr viel kleine·· ist als n, ist es üblich, π als den Brechungsindex zu bezeichnen, /fist ein Maß für die Trübung des Werkstoffes.

Wenn man nun die Übertragungseigenschaften des neuen Wellenleiters betrachtet, so stellt man fest, daß in seinem Mantel, der aus den beiden Schichten 2 und 3 besteht, zwei Sätze von Wellentypen oder Moden auftreten können.

Die Kernwellentypen bleiben im weiteren Verlauf der Beschreibung unberücksichtigt

Wie in F i g. 2 verdeutlicht, entsteht der erste Satz von Wellentypen, der durch den Wellentyp X repräsentiert ist, durch Reflexion an der Grenzfläche zwischen der inneren Schicht 2 und der äußeren Schicht 3. Da beide Schichten den gleichen Brechungsindex besitzen, beruht die Reflexion ausschließlich auf der Änderung in der Trübung und ist nicht erheblich, mit Ausnahme der Wellentypen, welche die Grenzfläche beim Einfall nur streifen. Erfolgt dagegen der Einfall weniger flach, dann dringen die Wellen in die äußere Schicht ein und werden an der Oberfläche des Wellenleiters vollständig reflektiert (vorausgesetzt, die äußere Schicht ist von Luft umgeben). Auf diese Weise entsteht der zweite Satz von Wellentypen, der durch den Wellentyp Y repräsentiert ist.

Beide Sätze von Wellentypen werden Ledämpft; der erste durch unvollständige Reflexion und der zweite durch den zweifachen Durchgang durch die teilweise getrübte äußere Schicht. Die Dämpfung des ersten Satzes von Wellentypen wird größer, wenn die äußere Schicht eine geringe Trübung besitzt; der zweite Satz von Wellentypen dagegen wird stärker gedämpft, wenn die äußere Schicht eine starke Trübung besitzt. Da keine dieser extremen Eigenschaften von Vorteil ist, sollte hinsichtlich der Trübung ein Kompromiß gefunden werden.

Wenn die äußere Schicht sehr dick gewählt wird, reicht schon eine geringe Trübung aus, um eine hohe Dämpfung des zweiten Satzes (Y) von Wellentypen zu erreichen. In dieserr Fall wird aber auch der erste Satz (X) von Wellentypen stark gedämpft. Eine solche Lösung ist ungünstig, weil die Dicke der äußeren Schicht nicht' zu groß sein sollte, damit sie den Grsaintdurchmesser des Wellenleiters nicht unnötig vergrößert.

Es erscheint annehmbar, daß der Gesamtdurchmesser des Wellenleiters dei, Außerdurchmesser der inneren Schicht um etwa 10% übertrifft. Eine solche Schichtdikke der äußeren Schicht erlaubt es, eine Trübung zu finden, bei der die Dämpfung für die am geringsten bedämpften Wellentypen beider Sätze gleich ist.

Wenn man die beiden Sätze von Wellentypen näher betrachtet, kann man die geeignete Trübung der äußeren Schicht berechnen.

Es wird nun zunächst für den ersten Satz (X) von Wellentypen die Dämpfung berechnet. Man erhält hierfür folgenden Wert:

Daraus folgt:

K = 0.7 4

= 8,68

cos»² /dB>

Dies ist der gesuchte Dämpfungsindex, bei dem beide Sätze von Wellentypen gleich stark gedämpft werden.
Damit ist die geringste Dämpfung

der auf die axiale Längeneinheit der Faser bezogen ist.

Darin bedeutet θ den Einfalls- bzw. Brechungswinkel der Wellentypen dieses Satzes (X) an der Grenze zwischen innerer Schicht 2 und äußerer Schicht 3, K den Dämpfungsindex des Werkstoffes der äußeren Schicht 3 und dden Außendurchmesser der inneren Schicht 2.

definiert als AT=-, wobei π der reelle Brechungsindex

der inneren Schicht (2) und n+ik der komplexe Brechungsindex der äußeren Schicht (3) ist.

Die geringste Dämpfung eines Wellentyps dieses Satzer ergibt sich, wenn man für cos θ den kleinsten möglichen Wert einsetzt. Der niedrigste Wellentyp des Satzes entspricht dem niedrigsten Wellentyp eines hohlen metallischen Wellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt, nämlich dem TEn-Wellentyp. Für diesen Wellentyp ist

cos (-> = 1,84 '-=-

π ■ a

mit diesem Wert ergibt sich als geringste Dämpfung des ersten Satzes ^Λ^νοη Wellentypen:

bezogen auf die axiale Längeneinheit.

Bei einer Wellenlänge des sichtbaren Lichts von

π 0,5· 10~⁶m und bei rf/A=100 (wie bereits oben vorausgesetzt wurde) beträgt die minimale Dämpfung

3/²

²d³

/dB
Vm

die wiederum auf die axiale Längeneinheit der Faser bezogen ist. λ ist dabei die im Dielektrikum gemessene Wellenlänge.

In gleicher Weise kann auch für den zweiten Satz (Y) von Wellentypen die auf die axiale Längeneinheit bezogene geringste Dämpfung berechnet werden. Sie ergibt sich zu

, K

Bei dieser Berechnung liegen die Randbedingungen zugrunde, daß sin θ = 1 ist und daß der Gesamtdurchmesser des Wellenleiters um 10% größer ist als der Außendurchmesser der inneren Schicht 2.

Da vorausgesetzt wurde, daß beide Sätze von Wellentypen gleich stark gedämpft werden sollen, wird die Dämpfung, die der am wenigsten gedämpfte Wellentyp des ersten Satzes erfährt, der Dämpfung gleichsetzt, die der am wenigsten gedämpfte Wellentyp des zweiten Satzes erfährt

Die Gleichsetzung von (1) und (2) ergibt:

Dieser Wert liegt wesentlich höher \\s die minimale Dämpfung der Kernwellentypen, so daß die Mantelwel-

>n lentypen vernachlässigt werden können. Die Dämpfung der Kernwellentypen wird von den Eigenschaften der erhältlichen Kernwerkstoffe bestimmt: derzeit sind Werkstoffe erhältlich, deren Dämpfung I dB/m beträgt, aber es ist anzunehmen, daß in Zukunft Werkstoffe mit

r> 0,01 dB/m erhältlich sind. Die Dämpfung des Schichtwerkstoff (die natürlich von der Dämpfung der Schicht-[oder Mantel-jwellentypen abweicht), beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 7500 dB/m. Bereits eine etwa 3 mm dicke Schicht aus diesen Werkstoff würde

κι dem Betrachter als schwarz erscheinen.

Bei einer Wellenlänge im Millimeterbereich, z. B. 10'³ m, beträgt die kleinste Dämpfung der Mantelwellentypen bei d/A=10 etwa 35 dB/m. Wenn der Wellenleiter im Millimeterbereich einsetzbar sein .oll,

j> dann dürfen seine Kernwellentypen höchstens eine Dämpfung von 0,01 dEl/m besitzen. Die Mantelwellentypen würden in diesem Fall relativ stark gedämpft, jedoch mit einem geringeren Dämpfungsunterschied als bei den optischen Wellenlängen.

Die vorstehenden Betrachtungen wurden unter der Voraussetzung angestellt, daß der Brechungsindex der äußeren Schicht gleich dem der inneren Schicht ist. Wenn man nun untersucht, inwieweit diese Annahme zutrifft, so stellt man fest, daß es für die relative Toleranz des Brechungsindexes der äußeren Schicht

—\ einen kritischen Wert gibt, der bei - 1 /4 K liegt.
K liegt bei optischen Wellen etwa bei 10-⁴. Die

dadurch gegebene Toleranz—der Brechungsindizes ist in "

mit Glas zu erreichen.

Bei Millimeterwellen liegt Kbei 10~², und die dadurch gegebene größere Toleranz ist mit Kunststoff zu erreichen.

Daraus läßt sich ersehen, daß zwar für die Ausbreitung elektromagnetischer Energie bei optischen Frequenzen Glas der geeignete Werkstoff zu sein scheint, für die Übertragung anderer Frequenzen auch andere Werkstoffe verwendbar sind. So können beispielsweise mit durch Spritzen einfach herstellbaren Kunststoffasern auch zufriedenstellende Ergebnisse bei der Übertragung im Mikrowellenbereich erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dielektrischer Wellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung mit Eigenschaften, die die Modendispersion herabsetzen, bestehend aus einem zylindrischen Kern aus transparentem dielektrischen Werkstoff mit hoher optischer Qualität und einer ihn in inniger Berührung umgebenden ersten zylindrischen Schicht aus transparentem dielektrischen Werkstoff, deren Brechungsindex kleiner ist als der des Kerns, dadurch gekennzeichnet, daß a) die erste zylindrische Schicht (2) von einer zweiten, eng anliegenden zylindrischen Schicht (3) aus dielektrischem Werkstoff umgeben ist, daß b) die zweite Schicht (3) den gleichen Brechungsindex, jedoch eine derart geringere Transparenz als die erste Schicht (2) besitzt, daß sie eine gleich große Dämpfung <itr in den beiden Schichten (2, 3) ausbreitungsfähigen MantehveHen (X, yjbewirkt

2. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Außenschicht (3) wenigstens um 5% größer ist als der Außendurchmesser (d) der ersten Schicht (2).

3. Dielektrischer Wellenleiter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsindex des Werkstoffes der Außenschicht (3) weniger als das Zweifache des Quadrates aus dem Quotienten, df.r aus der zu übertragenden Wellenlänge und dem Außendurchmesser der ersten Schicht gebildet ist, beträgt

4. Dielektrischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsindex etwa 70% des Quadrates aus dem Quotienten, der aus der zu übertragenden Wellenlänge und dem Außendurchmesser der ersten Schicht gebildet ist, beträgt.