DE2533144A1

DE2533144A1 - Optisches faser-uebertragungsmedium

Info

Publication number: DE2533144A1
Application number: DE19752533144
Authority: DE
Inventors: Detlef Christoph Gloge
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-07-30
Filing date: 1975-07-24
Publication date: 1976-02-12
Also published as: NL7508912A; SE408829B; JPS5137661A; FR2280909B1; US4000936A; IT1041349B; CA1051238A; SE7508186L; GB1519521A; BE831759A; FR2280909A1

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadedcestraSe 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Gloge 14

New York, N.Y., USA

Optisches Faser-Übertragungsmedium

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Paser-Übertragungsmedium mit einem von einer Schutzumhüllung umgebenen Faser-Wellenleiter.

Wegen ihrer vergleichsweise kleinen Größe (die Faser-Gesamtdurchmesser liegen im Regelfall irgendwo zwischen einigen wenigen Mikrometern und 150 Mikrometer), sind optische Pasern von Hause aus zerbrechliehe Gebilde. Bei den meisten derzeitigen Fasern verursachen überraschend kleine äußere Kräfte wesentliche Verzerrungen der Faser-Zentralachse. Wie von D. Marcuse in Band 51 des Bell

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach - Dr. Bergen · Zwirner

509387/0 787

System Technical Journal, Seiten 1199-1232 (1972), beschrieben wurde, können derartige Verzerrungen eine Kopplung der in einer Paser fortschreitenden optischen Wellenenergie vom einen Mode auf einen anderen Mode verursachen, was einen entsprechenden Verlust an optischer Energie zur Folge hat. Beispielsweise ist es bekannt, daß kleine Unregelmäßigkeiten in der bearbeiteten Oberfläche einer Metalltrommel, auf die eine Faser aufgewickelt ist, bereits ausreichen, die Verluste in der Faser von 3 auf 100 dB/km auch dann ansteigen zu lassen, wenn die Faser auf die Trommel unter sehr geringer Spannung aufgewickelt ist. Da die äußeren Kräfte, die auf die einzelnen Fasern eines optischen Faserkabels stets beträchtlich größer und weniger gleichförmig als die von einer Trommel ausgeübten Kräfte sein werden, ist ersichtlich, daß entsprechende Schutzmaßnahmen für die Faser ergriffen werden müssen.

Gemäß der Erfindung kann eine wesentliche Verringerung des Verzerrungsverlustes in optischen Fasern infolge beliebig einwirkender Süßerer Kräfte dadurch erreicht werden, daß jede Faser von einer richtig entworfenen Schutzumhüllung umgeben ist. Im einzelnen ist die Fähigkeit einer umhüllten optischen Faseranordnung, äußeren Kräften widerstehen zu können, durch einen Parameter charakterisiert, der als die Retentionslänge R bezeichnet sei und gegeben ist durch

Hierin bedeuten H die Biegesteifigkeit und D_f die Lateralsteifigkeit der umhüllten Faser. Minimaler Verzerrungsverlust kann erreicht werden, indem die Faserumhüllung so entworfen wird, daß die

S09087/0787

2S33U4

Retentionslänge R der Faser/Umhüllung-Gesamtanordnung eine kritische Kopplungswellenlänge A für die Paser überschreitet. Generell wird die gewünschte Retentionslänge R erreicht durch Herstellen der Umhüllung derart, daß diese in seitlicher Richtung eine wesentliche Nachgiebigkeit (d.h. niedrige Lateralsteifigkeit D„) und in Längsrichtung eine wesentliche Steifigkeit oder Festigkeit (d.h. große Biegesteifigkeit H) besitzt. Der für eine bestimmte Faser geeignete Entwurf der Umhüllung umfaßt die richtige Auswahl der Konfiguration, Materialien und Dicken der Umhüllung entsprechend der grundsätzlichen und im Nachstehenden im einzelnen beschriebenen Lehre der Erfindung.

Dabei werden zahlreiche Umhüllungs-Ausführungsformen beschrieben, die entsprechend der Erfindung zur Minimalisierung von Verzerrungsverlusten in einer beispielhaften optischen Multimode-Kern/Mantel-Faserstruktur entworfen worden sind. So wird beispielsweise gezeigt, daß adequate Retentionslängen unter Verwendung einer einfachen, einschichtigen Umhüllung unter der Vorausssetzung erreicht werden kann, daß das Umhüllungsmaterial genügend weich und daß die Umhüllungsdieke genügend groß ist.

Zweischichtige Umhüllungskonfigurationen werden gleichfalls angegeben, bei denen die gewünschte Retentionslängen durch Kombinieren einer relativ harten Außenschale mit einer relativ weichen Hülle

erhalten werden.
in der Umhüllung/ Schließlich wird ein AusfUhrungsbeispiel angege- · ben, bei dem die gewünschten Retentionslängen durch Verwendung einer einschichtigen Umhüllung erreicht werden, die durch längs-

50S887/07Ü7

-; - 4 - · 2B331U

verlaufende Stränge aus vergleichsweise hartem Material wie Graphit verstärkt ist.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Schnittansichten einer umhüllten optischen Faseranordnung zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Theorie,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Wirkung äußerer Störungen der räumlichen Wellenlänge A oder Wellenzahl K auf die Faserachse-Versetzung,

Fig. 5 bis 8 Schnittansichten verschiedener alternativer Umhüllungsausführungsformen der Erfindung,

Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Retentionslänge R vom Umhüllungsdurchmesser für die Ausführungsformen nach Fig. 5 und 6, und

Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der optimalen Schalendicke vom Umhüllungsdurchmesser für die Ausführungsform nach Fig. 6.

1. Theorie

Vor einer detaillierten Beschreibung der einzelnen Ausführungsformen der Erfindung ist es im Interesse eines tieferen Verständnisses sinnvoll, die elastischen Deformationen zu untersuchen, die in einem seitlichen Kräften unterworfenen umhüllten optischen Faser-Wellenleiter auftreten. Hierzu sei zunächst auf Fig. 1 bis j5

50988 7/0787

2B33U4 - ο -

eingegangen, in denen entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugsziffern versehen sind; diese Fig. sind im Interesse einer besseren Darstellung nicht immer maßstabsgerecht.

Der in Fig. 1 dargestellte optische Faser-Wellenleiter 11 ist von einer äußeren Schutzumhüllung 13 umgeben, die in Kontakt mit der Faser steht und sich längs der Faser über deren gesamte Länge erstreckt. Die Faser 11 kann irgendeiner der derzeit bekannten Faser-Wellenleiter sein, beispielsweise die klassische: Kern/Mantel-Faser, die einen inneren Kern eines optisch transparenten Materials aufweist, der von einem äußeren Mantel eines gleichfalls optisch transparenten Materials, das jedoch einen etwas höheren Brechungsindex als das Kernmaterial besitzt, umgeben ist. Die Faser kann auch von jener Bauart sein, die sich durch einen Gradienten im Brechungsindex auszeichnet dergestalt, daß der Brechungsindex der Faser längs der Faser-Mittelachse ein Maximum ist und mit zunehmender radialer Entfernung von der Achse allmählich abnimmt. Weiterhin kann die Faser 11 eine Einzelmoden-Faser oder eine Multimoden-Faser sein. In jedem Fall soll die nutzbare optische Wellenenergie auf den inneren Bereich der Faser 11 begrenzt werden,und ihre Fortpflanzung erfolgt längs der Faser-Zentralachse 14, die der senkrecht zur Zeichenebene orientierten Z-Achse entspricht.

Wie in Fig. 1 angedeutet, sei angenommen, daß die aus Faser 11 und Umhüllung 13 bestehende Anordnung zwischen zwei starren, leicht rauhen, aber ansonsten ebenen Berührungsflächen 15 und 16 eingespannt ist. Als Folge der Rauhigkeit in den Oberflachen 15 und 16

50988 7/0787

2533H4

sind die von diesen ausgeübten Kräfte f, (z) bzw. f₂(z) ungleichförmig und typischerweise an einem betrachteten Punkt ζ längs der Z-Achse ungleich. (Beispielsweise sei angenommen, daß fp größer als f, ist). Die Paserachse 14 erfährt daher eine Verbiegungstendenz entsprechend der Differenz f(z) = i\(z) - f₂(z).

Entsprechend der Theorie eines dünnen, elastischen Stabes ist die seitliche Versetzung x(z) der Paserachse 14 mit f(z) verknüpft durch

d*x(z) _ tisl (1)

Hierin bedeutet H die Biegesteifigkeit der Anordnung und ist gegeben durch

^H -

Vm
m

Die Summe in Gleichung 2 geht über alle Elemente der gebogenen Anordnung (d.h. m = 1 für die Faser 11 und m = 2 für die Umhüllung 13); E ist der Young'sehe Modul für das m-te Element der Anordnung und I ist das Trägheitsmoment des m-ten Element. Für konzentrische Zylinder gilt

worin a der Außendurchmesser und a , der Innendurchmesser des m-ten Zylinders ist. Für den zentralen Fest stoff-ZyI Inder der Anordnung (d.h. für die Faser 11) ist a = 0.

509887/0787

_ ■ 2533U4

Wie in .Fig. 2 dargestellt, verursachen die Kräfte f\(z) und fp(z) nicht nur eine in Längsrichtung verlaufende Biegung, sondern auch eine Kompression und entsprechende Deformationen u.(z) bzw. Ug(z) des Faser/Umhüllungs-Aufbaus. Wenn die Kräfte f^z) und f₂(z) so sind, daß sie sich mit ζ nicht zu drastisch ändern, sind die Deformationen u.,(z) und Up(z) eine lineare Funktion der einwirkenden Kräfte. Es wird deshalb angenommen, daß die Kräfte f,(z) und fp(z) sich ausreichend allmählich mit ζ ändern, so daß die Differenz u(z) = u-(z) - Up(z) proportional zur Differenz der Kräfte f(z) ist. Es kann daher ein Proportionalitätsfaktor D eingeführt werden, der gegeben ist durch

XX(Z) =

Dieser Faktor D wird als die Lateralsteifigkeit des Faser/Umhüllungj-Aufbaus bezeichnet. Handelt es sich um eine relativ dicke und relativ weiche Umhüllung, wie dieses in Fig. 2 beispielsweise dargestellt ist, dann kann die Lateralsteifigkeit D durch den Young' sehen Modul Ep des Umhüllungsmaterials gut angenähert werden. Handelt es sich um eine relativ harte, hohe zylindrische Schale, wie die Schale 17 in Fig. J5, dann ist deren Lateralsteifigkeit gegeben durch

4(a -a₂)⁵

s2 > (5)

worin E, der Young'sehe Modul des Schalenmaterials, a-, der Außendurchmesser und a« den Innendurchmesser der Schale bedeuten. Wenn die Schale eine innere Umhüllung eines relativ weichen Materials umgibt, wie dieses für die Umhüllung 1J> in Fig. 5 der Fall ist,

5G9887/Ö787

2533UZ₁

dann addieren sich näherungsweise die Lateralsteifigkeiten,und es gilt

D = D₃ + E₂ . (6)

Die Unregelmäßigkeiten in den Berührungsflächen 15 und 16, die Anlaß für das Auftreten der Kräfte f^z) und f₂(z) sind, sind mit v.(z) bzw. v₂(z) bezeichnet. Es sei angenommen, daß die Umhüllung 15 (oder Schale 17) kompressibel genug ist, um sich den Unregelmäßigkeiten v,(z) und Vp(z) immer anpassen zu können, so daß kontinuierliche Berührungsbereiche an jeder Berührungsfläche existieren. Dieses führt zur Beziehung

v(z) - u(z) = 2x(z) (7)

mit v(z) = v, (z) - Vp(z). Gleichungen (1), (4) und (7) können nun zum Erhalt der folgenden Differentialgleichung verknüpft werden.

5 d⁴x(z) , 2x(z) = v(z) . (8)

Gleichung (8) ist auf den allgemeinen Fall einer umhüllten Faser anwendbar, die zwischen zwei unendlich steifen, schwach rauhen Berührungsflächen 15 und l6 eingespannt ist. Sie kann für zwei interessierende Spezialfälle modifiziert warden. Wenn beispielsweise die Oberfläche 16 eine schwach rauhe Trommeloberfläche ist, auf die die umhüllte Faser aufgewickelt ist, dann gilt Gleichung (8) immer noch, wenn der Faktor 2 auf der linken Seite der Gleichung durch 1 ersetzt wird. In diesem Fall hat die Tromraeloberfläche wahrscheinlich eine Lateralsteifigkeit D^, die endlich und im Wert von der Lateralstei-

509 8 87/0 787

figkeit D_f der umhüllten Paser verschieden ist. Diese Tatsache kann in Gleichung (8) berücksichtigt werden, indem D entsprechend der Beziehung

^{D =} 1/D_d + 1/D_f ^

gewählt wird, wobei D, angenähert werden kann durch den Young'sehen Modul des Trommelmaterials und D_f entweder der Young"sehe Modul des Umhüllungsmaterialsist oder entsprechend Gleichungen (5) und (6) errechnet wird.

Der zweite, hier interessierende Spezialfall betrifft die Pressung der umhüllten Faser zwischen zwei benachbarten umhüllten Fasern derselben Art. In diesem Fall ist die Lateralsteifigkeit D_f der dargestellten umhüllten Faser gleich der Lateralsteifigkeit jeder der berührenden Oberflächen 15 und X6. Dieser Fall kann in Gleichung (8) berücksichtigt werden, indem D entsprechend der Beziehung

2ε

D - 2 (10)

gesetzt wird. Es sei bemerkt, daß die Größe v(z) in Gleichung (8) für den letzteren Fall aus den kombinierten Unregelmäßigkeiten der Außenflächen der benachbarten umhüllten Fasern an jedem Berührungsgebiet resultiert. Gleichfalls sei bemerkt, daß Gleichung (8) für jeden der vorstehend beschriebenen Fälle nur dann zutrifft, wenn die benachbarten Oberflächen in kontinuierlicher Berührung zueinander stehen, so daß die Deformationen proportional zu den betroffenen Kräften ist.

Pur die Größen x(z) und v(z) werden nun die Fourier-Transformationen

509887/0 787

X(K) und V(K) eingeführt. Diese Transformationen sind Punktionen der Wellenzahl K oder räumlichen Wellenlänge Λ, das mit K verknüpft ist durch

K = 27Γ/Λ . (11)

Die Operation d/dz in Gleichung (8) wird einfach in eine Multiplikation mit K transformiert und die Gleichung kann nunmehr in folgender Form geschrieben werden

2+(2τ) H/D/Γ

Das Verhältnis der Fourier-Komponenten X/V ist in Fig. 4 als Funktion der Wellenzahl K und der räumlichen Wellenlänge Λ skizziert. Man sieht aus Fig. 4, daß die Wirkung, die jede Fourier-Komponente V auf die Faserachse-Versetzung X hat, stark von der räumlichen Wellenlänge dieser Komponente abhängt. Im einzelnen haben relativ kurzwellige Störungen kleinere Auswirkung auf die Faserachse als relativ langwellige Störungen. Wie von D. Marcuse in Band 51 des Bell System Technical Journal, Seiten II99-I232 (1972), beschrieben, gibt es eine bestimmte Gruppe von Schwingungskomponenten, die von einem Einfluß auf die Faserachse ferngehalten werden müssen, wenn beliebige Modenkopplung wirksam reduziert werden soll. Für eine optische Faser des klassischen Kern/Mantel-Typus ist diese Gruppe beispielsweise in der Nähe und insbesondere oberhalb der kritischen Wellenlänge konzentriert, wie diese gegeben ist durch

A₀ - 2Ta_c/(2A)^l/2 = 2*/K_c .

6 0 9 8 8 7/0787

2 5 3 3 1 - li -

Hierin bedeuten a den Radius des Faserkerns und Δ den Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel (d.h. n₂ = n. (l-A)* wobei n, der Brechungsindex des Kerns und n_? der Brechungsindex des Mantels ist). Für eine Faser mit sich allmählich änderndem Brechungsindex gilt Gleichung (13) immer noch, wenn a der Kernradius der Faser ist und der Brechungsindex im Kern der Faser gegeben ist durch

η - 2I₁ [l-A(r/a_cfj . (14)

Hierin bedeuten n. den Brechungsindex längs der Faser-Zentralachse, r den Radialabstand von der Achse (d.h., r - a ) und Of eine Zahl

größer als eins (z. B. CC = 2 für einen parabolischen Indexverlauf im Kern). Bei einer typischen Multimodenfaser ist a gleich 25ttm und ist Δ = 0,02, so daß Λ etwa gleich 1 mm ist.

Es sei nun als Beispiel der spezielle Fall betrachtet, bei dem eine umhüllte Faser zwischen zwei benachbarten umhüllten Fasern der gleichen Art eingepreßt ist. Wie in Gleichung (10) angegeben, erfordert dieser Spezialfall, daß D in Gleichung (12) ersetzt wird durch ΐ>ς/2.. Die Größe R wird wie folgt eingeführt

R = 2T(H/D_f)^l/4. . (15)

Marcuse hat in seiner vorstehend erwähnten Arbeit gezeigt, daß die Größe der zufälligen Modenkopplung und folglich die Größe des damit verknüpften Verzerrungsverlustes proportional ist zu der Größe (x) , die der Mittelwert des Quadrates der Fourier-Komponente X entsprechend der Faserachsen-Versetzung ist. Für diesen speziell interessierenden Fall kann Gleichung (12) wie folgt umgeschrieben werden:

5Ü 988 7/0787

2 5 3 3 H 4

- 12 -

Hierin ist \Vy der Mittelwert des Quadrates der Fourier-Komponente V. Die Größe R, die als die Retentionslänge der umhüllten Faser bezeichnet sei, ist der zentrale Entwurfsparameter bei der vorliegenden Erfindung. Um die Faserachse wirksam vor Störungen der kritischen räumlichen Wellenlängenkomponenten (d.h. A wie oben) zu schützen, muß R so gewählt werden, daß diese Größe die kritische Kopplungswellenlänge /L überschreitet.

Das allgemeine Ziel bei jeder nachstehend im einzelnen beschriebenen Faser/Umhüllung-Ausführung ist, maximalen Schutz gegen äußere Kräfte durch Maximierung der charakteristischen Retentionslänge R der umhüllten Faser vorzusehen. Dieses Ziel wird entsprechend der Erfindung generell erreicht durch Verwendung einer Umhüllung, die wesentliche seitliche Nachgiebigkeit (d.h. niedrige Lateralsteifigkeit Dj.) und wesentliche Längssteifigkeit oder -festigkeit (d.h. große Biegesteifigkeit H) besitzt.

2· Beispielhafte Umhüllungsformen

Fig. 5 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen für die Umhüllung der optischen Faser, die entsprechend der vorstehenden Theorie zur Minimalisierung von Verζerrungsverlusten entworfen worden sind. Der Kürze und Klarheit halber ist die Beschreibung auf einen illustrativen Aufbau für die optische Faser 11 beschränkt. Es sei bemerkt, daß die hierzu angegebenen Einzelheiten auf diesen speziellen Faseraufbau beruhen, ähnliche Informationen können aber

609887/0787

2533U4 - 13 -

leicht für andere Faser-Anordnungen im Hinblick auf die oben gegebene grundsätzliche Theorie abgeleitet werden.

Demgemäß ist die Faser 11 bei den Ausführungsformen nach Fig. 5 bis 8 beispielsweise ein optischer Faser-Wellenleiter für Multimod enbe trieb, der einen Kern lla und einen diesen umgebenden Mantel 11b aufweist, dessen Brechungsindex etwas geringer als der des Kernes lla ist. Das Material des Kerns lla und des Mantels 11b sei beispielsweise Quarzglas. Die Kern/Mantel-Brechungsindex-Differenz kann in der Faser beispielsweise erhalten werden durch Zugabe oder Austausch einer oder mehrerer brechungsindexändernder Komponenten im Quarzglas. Der Mantel 11b habe beispielsweise einen Außendurchmesser von 80 μχα, und der Kern lla einen Außendurchmesser von 50 Afm. Wenn die relative Kern/Mantel-Brechungsindex-Differenz A zu 0,02 angenommen wird, dann ist die kritische Wellenlänge A entsprechend der obigen Berechnung etwa 1 mm. Der Young'sehe Modul E., für Quarzglas ist etwa 7 χ 10^ kg/cm (10' psi).

Fig. 5 zeigt die erste Ausführungsform der Erfindung. Die optische Faser 11 in Fig. 5 ist von einer relativ dicken einlagigen Umhüllung 33 umgeben, die aus vergleichsweise weichem Material besteht. Generell sind Material und Dicke der Umhüllung 33 entsprechend der Erfindung so ausgewählt, daß die Retentionslänge R der umhüllten Faseranordnung entsprechend Gleichung (15) die kritische Kopplungswellenlänge A für die Faser (z. B. 1 mm) überschreitet. Dieses kann bei der Ausführungsform nach Fig. 5 einfach erreicht werden, indem der Modul E₂ des Umhüllungsmaterials hinreichend klein und

509 8 87/0787

- 14 - ■ 253314A

der Außendurchmesser der Umhüllung genügend groß gewählt werden.

An dieser Stelle ist es zweckmäßig, einen Vergleichsmaßstab zum Stand der- Technik zu setzen. Zu diesem Zweck sei eine optische Paser, z. B. die vorstehend beschriebene Paser 11 angenommen, die nicht umhüllt ist und die gegen eine Trommelfläche oder eine Kabelwandung eines Moduls von etwa 35,000 kg/cm" (500,000 psi) gedrückt wird. Entsprechend der oben gegebenen Theorie errechnet man eine Retentionslänge R von etwa 0,90 mm für die Paser, was zeigt, daß die Paser von Hause aus sehr wenig Schutz gegen Verzerrungsverlust besitzt.

In Fig. 9 illustrieren die mit "keine Schale" bezeichneten Kurven die Änderung der Retentionslänge R mit dem Umhüllungs-Außendurchmesser für eine umhüllte Faser, beispielsweise der nach Fig. 5» für drei verschiedene UmhUllungs-Modulen (d.h. Ep = 3*500, 700 bzw. 70 kg/cm (50,000, 10,000 bzw. 1,000 psi)). Auf der rechten Seite von Fig. 9 sind die entsprechenden Verringerungen in der Größe \£) /^V) bei Λ von Gleichung (l6) angegeben. Man sieht aus Fig. 9* daß die Retentionslänge der umhüllten Paser zunimmt, wenn das Umhüllungsmaterial weicher gemacht wird (d.h. wenn Ep abnimmt). Beispielsweise führt die Verwendung eines Materials eines Moduls von 70 kg/cm"² (1000 psi) anstelle von 35ΟΟ kg/cm"² (50,000 psi) für die Umhüllung 33 zu einer Erhöhung der Retentionslänge R von 0,93 auf 2,3 mm bei einem Außendurchmesser von 200^m.

Die Zunahme von R von etwa 0,90 mm für eine nichtumhUllte Faser auf etwa 2,3 mm für eine umhüllte Paser mit Ep = 70 kg/cm~

B090 8 7/Q787

25331U

(1000 psi) scheint mäßig zu sein, wie aber auf der rechten Seite von Fig. 9 angegeben ist, führt dieses zu einer Verringerung der Modenkopplung bei A und daher zu einer Verringerung des Verzerrungsverlustes um etwa drei Größenordnungen. Diese recht große Kopplungsverringerung ist das Ergebnis der achten Potenz von R, die in Gleichung (16) auftritt.

Für die beispielshafte Faserordnung 11 reicht es aus, wenn die Umhüllung 33 einen Modul E₂ kleiner als etwa 1750 kg/cm (25,000 psi) und einen Außendurchmesser von mehr als 100 /im (d.h. eine Umhüllungsdicke von mehr als etwa 20 /Jm) besitzt.

Umhüllungen mit den in diesen Bereichen liegenden relevanten Parametern führen zu einer Retentionslänge R, die 1 mm überschreitet. Aus Fig. 9 ersieht man des weiteren, daß der Schutz durch die Umhüllung zunimmt (d.h. daß R zunimmt), wenn der Außendurchmesser der Umhüllung zunimmt. Relativ harte Umhüllungsmaterialien können daher verwendet werden, wenn Umhüllungen mit vergleichsweise großem Außendurchmesser zugelassen werden können. Für die meisten derzeitigen Faser-Anwendungsfälle begrenzen Jedoch Kosten- und Platzbedarfserwägungen den Außendurchmesser der Umhüllung auf Werte, die kleiner als etwa 400 μχη sind.

Die restlichen Kurven in Fig. 9 beziehen sich auf das in Fig. 6 dargestellte AusfUhrungsbeispiel. Hiernach ist die optische Faser 11 von einer relativ dicken, relativ weichen inneren Umhüllung 4j5 umgeben, die ihrerseits von einer relativ dünnen und relativ harten

509887/0787

- 16 - " - ■ 2533U4

äußeren Schale 47 umgeben ist. Niedrige Lateralsteifigkeit D_f wird bei dieser AusfUhrungsform durch die relativ weiche (d.h. kleines Ep) innere Umhüllung 43 bereitgestellt, während die relativ harte (hohes E,) äußere Schale 47 für hohe Biegesteifigkeit sorgt, um die gewünschten relativen Steifigkeiten zu haben, sollte der Modul der Schale 47 den der Umhüllung 43 übersteigen, und zwar vorzugsweise um wenigstens eine Größenordnung. Außerdem ist die Umhüllung 43 vorzugsweise wenigstens 20/^m dick und hat vorzugsweise einen Modul E₂ kleiner als etwa 3500 kg/cm (50,000 psi).

Die Schale 47, obgleich relativ hart im Vergleich zur Umhüllung 4j, braucht nicht härter als das Fasermaterial (z. B. Quarz) zu .sein. Tatsächlich verursacht, selbst wenn die Schale 47 beträchtlich weicher als das Fasermaterial ist, ihr großes Trägheitsmoment I,, das nach Gleichung (3) proportional zur vierten Potenz des Durchmessers ist, eine beträchtliche Zunahme der Biegesteifigkeit der Anordnung. Wird beispielsweise (s. Fig. 9) die Schale 47 so ausgewählt, daß sie einen Modul von etwa 35,000 kg/cm (500,000 psi) hat, und die innere Umhüllung 43 so, daß sie einen Modul von etwa 70 kg/cm~ (1000 psi) und einen Außendurchmesser von 200^m hat, dann ergibt sich für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 eine Retentionslänge R von mehr als 3 ni.n. Im Vergleich zur nichtumhüllten oben beschriebenen Faser (d. h. R etwa 0,90 ram) würde bei diesem Beispiel die Verringerung der Kopplung und des Verzerrungsverlustes etwa vier Größenordnungen betragen.

Es gibt eine Grenze für die mit der Ausführungsform nach Fig. 6 erreichbare Zunahme von R; denn wenn die Schale 47 härter und dicker

S09887/0787

gemacht wird, beginnt sie der guten seitlichen Nachgiebigkeit, für die das weiche Material der Umhüllung 43 sorgt, entgegenzuwirken. Im Ergebnis erhält man eine optimale Schalendicke für ein gegebenes Schalenmaterial und einen gegebenen Umhüllungsaußendurchmesser. Diese optimale Schalendicke kann leicht anhand der gegebenen Materialien und Parameter unter Verwendung der oben gegebenen Theorie errechnet werden. Fig. 10 zeigt eine Reihe Kurven, die für die

11
beispielhafte Faserstruktur/nach Fig. 6 erhalten worden sind und die die optimale Schalendicke als Funktion des Umhüllungsdurchmessers für vier spezielle Umhüllung/Schale-Modulkombinationen angeben. Wie in Fig. 10 angegeben, hat eine Schale 47 eines Moduls von 35,000 kg/cm"² (500,000 psi), die eine Umhüllung 43 eines Moduls von 70 kg/cm~ (lOOO psi) umgibt, hat bei einem Außendurchmesser von 200 /im eine optimale Schalendicke von etwa 7,5 /*m_t Die optimale Schalendicke nimmt generell mit zunehmendem Umhüllungsdurchmesser zu, ebenso auch wenn der Modul der Schale 47 zahlenmäßig näher beim Modul der Umhüllung 43 liegt. Für die als Beispiel gewählte Faser 11 reicht die optimale Schalendicke typischerweise von etwa 3 bis etwa 50 /£m·

Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß für die Ausführungsform nach Fig. relativ große Retentionslängen vorteilhaft selbst dann erreicht werden, wenn der Außendurchmesser der Umhüllung vergleichsweise klein ist (z. B. kleiner als etwa 200 .am). Die Ausführungsform nach Fig. 6 ist daher insbesondere dort brauchbar, wo Platzbedarf-Erwägungen den Außendurchmesser der Gesamtanordnung auf weniger als etwa 200 ^m beschränken.

509887/0787

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die wie man sieht, einen zur AusfUhrungsform nach Fig. 6 komplementären Aufbau besitzt. Die optische Faser nach Fig. 11 ist von einer relativ harten inneren Umhüllung 53 und einer relativ weichen äußeren Schale 57 umgeben. Bei dieser Ausführungsform wird die niedrige Lateralsteifigkeit D™ bereitgestellt durch die relativ weiche (d. h. niedriges E^,) äußere Schale 57· Für hohe Biegesteifigkeit sorgt die relativ harte (d. h. hohes E₂) innere Umhüllung 53· Um die gewünschten relativen Steifigkeiten bei dieser Ausführungsform zu erhalten, sollte der Modul der inneren Umhüllung 53 den der Schale 57 um wenigstens eine Größenordnung überschreiten. Zusätzlich ist die Schale 57 wenigstens 20 μτη dick und hat vorzugsweise einen Modul E^, kleiner als etwa 5500 kg/cm (50,000 psi). Da die Nachgiebigkeit in seitlicher Richtung durch die äußerste Schicht der Ausführungsform nach Fig. 7 (d. h. durch die weiche Schale 57) besorgt wird, kann die harte innere Umhüllung 53 so dick wie gewünscht gemacht werden, wenn solche große Gesamtdurchmesser im Faser-Kabel zugelassen werden können. Je dicker die Umhüllung 53 gemacht wird, desto größer wird die Retentionslänge R bei dieser Ausführungsform.

Bei der Ausführungsforra nach Fig. 8 wird der gewünschte Schutz vor Verzerrungsverlust für die Faser 11 durch eine relativ weiche einlagige Umhüllung 63 besorgt, die mit längsverlaufenden Armierungsfäden 65.I, 65.2 usw. aus relativ hartem Material wie Graphit verstärkt ist. Die Armierungsfäden haben vorzugsweise einen Modul, der wenigstens um eine Größenordnung höher liegt als der der Umhüllung 63. Sie haben typischerweise einen Durchmesser von 1 jUva und sind im ganzen Umhüllungsmaterial eingebettet sowie derart orientiert, daß

509887/0787

7533H4

sie im wesentlichen entlang der Paser-Mittelachse verlaufen. Dergestalt eingebettet sorgen die Verstärkungsfaden für eine beträchtliche Zunahme der Biegesteifigkeit, indem sie einen beachtlichen Widerstand gegen longitudinale Biegung schaffen. Beispielsweise ist der Young'sehe Modul von Graphit etwa 23,8 χ ICP Kg/cm" (3*4 x 10' psi), so daß Graphitfäden jeglichen Biegekräften vergleichsweise gut zu widerstehen vermögen. Die Lateralsteifigkeit des Umhüllungsmaterials wird durch die Armierungsfäden jedoch nicht nennenswert beeinflußt, da sie in seitlicher Richtung sich recht leicht bewegen können, wenn die relativ weiche Umhüllung seitlich zusammengedrückt wird. Wie bei der Umhüllung 33 nach Fig. 5 hängt der für die Umhüllung 63 nach Fig. 8 im einzelnen gewählte Modul· hauptsächlich vom Außendurchmesser ab, der noch zugelassen werden kann. Vorzugsweise hat das Material der Umhüllung 63 einen Modul, der kleiner ist als etwa 3,500 kg/cm"² (50,000 psi).

Die Retentionslänge R der armierten Umhüllung nach Fig. 8 ist schwierig direkt zu berechnen. Sie kann jedoch abgeschätzt werden, wenn man annimmt, daß der prozentuale Anteil des Armierungsfaden-Volumens am Gesamtvolumen der Umhüllung 63 proportional zum Gesamtmodul der Umhüllung beiträgt. Wenn daher beispielsweise das Material der Hülle 63 einen Modul von 700 kg/cm"² (10,000 psi) und einen Außendurchmesser von 300 fira besitzt, und es werden Graphitfäden in solcher Menge benutzt> daß sie 45 % des Volumens der Umhüllung einnehmen, dann wird die Retentionslänge der Anordnung etwa 2,5 bis 3»0 mm sein. Die entsprechenden Verringerungen von .

609887/0787

Kopplung und Verzerrungsverlust gegenüber der nichtumhUllten Paser wird dann drei bis vier Größenordnungen betragen.

Da der Modul von Graphit mehr als dreimal höher ist als der von Siliciumoxid, erzeugen die Graphitfäden außer ihrer eigentlichen Aufgabe, die gewünschten relativen Steifigkeiten bei der Ausführungsform nach Pig. 8 bereitzustellen, auch bequemerweise einen erhöhten Schutz gegen einen Bruch der Paser. Wegen der relativ niedrigen Dichte von Graphit (etwa 1,8 g/cm"*^) sind Graphitfäden zusätzlich wünschenswert, da sie relativ wenig Gewicht zur Gesamtfaserstruktur hinzufügen.

?· Materialien und Herstellung

Es gibt zahlreiche thermoplastische Materialien, deren Modulen den Bereich von etwa 70 bis J χ 10--⁵ kg/cm (1000 bis 10^ psi) und darüber umspannen.· - Diese thermoplastischen Materialien bilden daher eine bequeme Materialgruppe aus denen die Materialien zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgewählt werden können. Thermoplastische Materialien sind insbesondere auch deswegen brauchbar, weil sie bequem auf die Faser entweder während die Faser gezogen wird oder kurz danach extrudiert werden können, wobei die Extrudierung von Schalen- und Umhüllungsmaterialien als die derzeit bevorzugte Herstellungsmethode anzusehen ist. Bei einer typischen Extrudieranordnung wird eine Extruderdüse (Extruderkopf) verwendet, der einen Zentralkanal, durch die die Paser geführt wird, und einen äußeren Ringkanal aufweist, den das zu extrudierende Material passiert. Wenn die Paser kontinuierlich durch den Zentral-

508887/0787

kanal bewegt wird, wird die Umhüllung auf die Paser extrudiert, indem eine Thermoplastik-Materialcharge gleichförmig unter Druck durch den äußeren Ringkanal ausgepreßt wird. Der Prozeß wird im Regelfall durch Erhitzen der Düse und/oder der Thermoplast-Charge erleichtert. Eine äußere Schale eines unterschiedlichen thermoplastischen Materials kann in ähnlicher Weise auf eine innere Umhüllung extrudiert werden, was entweder durch Verwendung einer nachgeschalteten zweite. Extruderdüse oder durch Verwendung einer einzigen Extruderdüse mit einem ersten Ringkanal für die innere Umhüllung und einem zweiten hierzu konzentrischen Ringkanal für die äußere Schale bewerkstelligt werden kann. In jedem Fall muß Vorsorge dafür getroffen werden, daß sichergestellt ist, daß die Umhüllungen und Schalen auf die Paser mit einem Minimum an permanenten inneren Spannungen extrudiert werden. Eine derartige Spannung könnte selbst Anlaß zu Verzerrungsverlusten in der Faser sein.

Ein illustratives Beispiel für die zahlreichen weichen thermoplastischen Materialien, die sieh für die Herstellung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eignen, ist ein unter der Handelsbezeichnung DuPont ELVAX 265 vertriebenes Copolymer von Äthylen und Vinylacetat. Das Material hat einen Modul von etwa l40 kg/cm" (2000 psi) und kann leicht auf eine Faser zur Bildung einer Umhüllung der erforderlichen Abmessungen extrudiert werden. Ein derartiges Material würde sich beispielsweise eignen für die Umhüllung 33 (Fig. J>), die innere Umhüllung kj> (Fig. 4), die äußere Sehale 57 (Fig. 7) und als das Grundmaterial für die Umhüllung 6j3 (Fig. 8). Andere für diese Teile der Ausführungsformen brauchbare

509887/0787

weiche Thermoplaste sind unter anderem das unter der Handelsbezeichnung DuPont Surlyn vertriebene Copolymer von Äthylen und Acrylsäure (E —70 kg/cm~ (1000 psi)) und das unter der Handelsbezeichnung 3M KeI F8OO vertriebene Copolymer von Monochlorotrifluoroäthylen und Vinylidenfluorid (E ~ 70 kg/cm"² (1000 psi)).

Beispielhaft für die zahlreichen harten thermoplastischen Materialien, die sich für die oben beschriebenen Ausführungsformen eignen, ist Polymethylmethacrylat (PMMA). PMMA hat einen Modul von etwa 35 kg/cm (500,000 psi) und kann ähnlich leicht auf eine Faser zur Bildung einer Umhüllung oder Schale der erforderlichen Abmessung extrudiert werden. PMMA würde beispielsweise brauchbar sein für die äußere Schale 47 in Fig. 6 und für die innere Umhüllung 53 in Fig. 7· Andere harte thermoplastische Materialien, die sich für die Herstellung dieser Teile eignen, sind unter

anderem Polycarbonat (E ~ 24,500 kg/cm (350,000 psi)), Nylon (E ^31,500 kg/cm"² (450,000 psi)), Teflon-Copolymer von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen (FEP), Teflon-Tetrafluoro-Ethylen (TFE) und Teflon-Copolymer von Tetrafluoroäthylen und Perfluorovinylmethyläther (PFE), wobei die letzteren drei einen Ε-Wert von etwa 3,500 kg/cm (50,000 psi) besitzen.

Armierungsfäden der bei der Ausführungsform nach Fig. 8 brauchbaren Art sind handelsüblich erhältlich. Beispielsweise werden geeignete Graphitfäden von Union Carbide als Thornel 300 Graphitgarn geliefert. Diese Fäden haben einen Durchmesser von annähernd 7 /im. Sie können dem Umhüllungsmaterial zugegeben werden, wenn

509887/0787

- 23 - " 2533U4

dieses auf die Faser extrudiert wird. Zahlreiche handelsüblich erhältliche Armierungsfäden aus Hart-Thermoplasten oder Glas
sind bei der Ausführungsform nach Pig. 8 gleichfalls brauchbar.

509887/0787

Claims

BLUMlAQH · WEBBH · BERGEN · KRAMER ^WIRNER . HIRSCH

PATENTANWÄLTE (N MÖNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsirlt 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: PateaiG<brtBult 62 Wiesbaden Spnnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

■Fat grit a.η. sppüche

il. Optisches Faser-Ubertragungsmedium mit einem von einer Schutzumhüllung umgebenen Faser-^Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung in seitlicher Richtung eine Nachgiebigkeit und in Längsrichtung eine Steifigkeit aufweist, deren Werte für den Erhalt einer die kritische Kopplungswellenlänge überschreitenden Retentionslänge der Faser/Umhüllung-Gesamtanordnung ausreichend sind.

2· Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Retentionslänge R der Faser/Umhüllung-GesamtanorcLnung gegeben ist durch

worin H die Biegesteifigkeit und D die Lateralsteifigkeit der Gesaratanordnung ist.

3. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 2, bei dem der Faser-Wellenleiter gebildet ist durch einen inneren Kern eines optisch transparenten Materials und eines Brechungsindexes n,, wobei der Kern einen Radius a besitzt und von

München: Kramer ■ Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

50 9 8 87/0787

2533H4

einem Mantel eines optisch transparenten Materials umgeben ist, dessen Brechungsindex n₂ kleiner als n, ist und n_? = n₁ (1-Δ) gilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Retentionslänge R der Gesamtanordnung im Wert größer ist als die kritische Kopplungswellenlänge A , wie diese gegeben ist durch

/I₀ = STa₀Zt₂A)¹/² _m

4. Optisches Paser-Übertragungsmedium nach Anspruch 2, bei dem der Paser-Wellenleiter von der Bauart mit allmählich abnehmenden

ist
Brechungsindex/und einen längsverlaufenden Körper aus optisch transparenten Material mit einem Kern aufweist, dessen Brechungsindex gegeben ist durch

H-Ii₁ [l-A(r/a_ofj

worin bedeuten

n. den Brechungsindex längs der zentralen Achse des Kerns, r den Radialabstand von der Achse im Kern, a den Radius des Kerns und
(X eine Zahl größer als eins,

dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Retentionslänge R der Gesamtanordnung größer im Wert ist als die kritische Kopplungswellenlänge A_n, wie diese gegeben ist durch

A_c = 2T a_c/(2Z\)^l/2 _β

5. Optisches Paser-Übertragungsmedium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch eine die Paser umgebende einlagige Schicht (53) aus einem Material gebildet ist,

509887/0787

dessen Modul E₂ ausreichend niedrig ist, und die Umhüllung einen ausreichend großen Außendurchmesser a_? besitzt derart, daß die Retentionslänge R die kritische Kopplungswellenlänge /I überschreitet.

6. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das Umhüllungsmaterial einen Modul Ep kleiner als etwa I75O kg/cm (25,000 psi) besitzt und daß die Umhüllung einen Außendurchmesser a₂ besitzt, der größer als etwa 100 jum ist.

7. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung gebildet ist durch eine erste Schicht (4^) aus einem ersten, die Faser einschließenden Material und einer zweiten Schicht (47) eines zweiten, die erste Schicht einschließenden Materials, und daß das erste Material einen Modul E₂ besitzt, der wenigstens eine Größenordnung kleiner ist als der Modul E-, des zweiten Materials.

8. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material einen Modul E₂ kleiner als etwa 35ΟΟ kg/cm (50,000 psi) und eine Dicke größer als etwa 20 /im aufweist und daß die zweite Schicht etwa 3 bis 50 dick ist.

9. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung gebildet ist durch eine erste

b 0-9 887/0787

2533TU

Schicht (.55) eines ersten, die Faser einschließenden Materials und eine zweite Schicht (57) eines zweiten, die erste Schicht einschließenden Materials und daß das erste Material einen Modul E₂ besitzt, der um wenigstens eine Größenordnung größer ist als der Modul E-, des zweiten Materials.

10. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material einen Modul E^, kleiner als etwa 3500 kg/cm" (50,000 psi) und eine Dicke größer als etwa 20 Um aufweist.

11. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch eine Einzelsehicht (6j5) aus einem die Faser einschließenden Material gebildet ist, in dem eine Vielzahl im wesentlichen längs der Faserachse verlaufender Fäden (65) eingebettet sind, und daß die Fäden aus einem Material eines Moduls hergestellt sind, der wenigstens eine Größenordnung größer ist als der des Materials der Schicht.

12. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Umhüllung einen Modul Ep besitzt, der kleiner als etwa 35ΟΟ kg/cm"² (50,000 psi) ist.

13. Optisches Faser-Übertragungsmedium nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Graphit hergestellt sind.

509887/0787