DE3742331A1 - Verfahren zur beeinflussung der leiteigenschaften von lichtwellenleitern in abhaengigkeit von der temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Leiteigenschaften von Lichtwellenleitern für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und infrarotem Bereich in Abhängigkeit von der Temperatur.

Nach dem Stand der Technik eingesetzte Temperaturmeß­ geräte können grundlegend in mechanische, elektrische, magnetische und optische Meßgeräte unterteilt werden.

Zu der Gruppe der mechanischen Meßgeräte gehören z. B. Flüssigkeits- und Bimetallthermometer. Diese in großen Stückzahlen hergestellten und daher billigen Meßgeräte be­ sitzen nur dann eine ausreichende Genauigkeit, wenn sie direkt mit dem zu messenden Medium (Flüssigkeit oder Gas) in Verbindung gebracht werden können und selbst eine geringe Wärmekapazität haben. Eine Fernüber­ tragung des Meßwertes ist durch Kapillare oder durch mechanische Gestänge usw. möglich. Diese Art der Fernüber­ tragung ist jedoch sehr störanfällig und verschlechtert die Meßgenauigkeit enorm. Ein mechanisch-elektrischer Wandler bringt im Vergleich zur mechanischen Lösung Vorteile, die jedoch mit anderen Nachteilen erkauft werden. Zudem sind die dabei notwendigen Übertragungsleitungen für elektromagnetische Störungen anfällig.

Temperaturmeßgeräte, die direkt eine elektrische Größe erzeugen, wie Thermoelemente, oder Meßgeräte, bei denen eine temperaturabhängige Veränderung des Widerstandes, einer Dielektrizitätskonstanten oder einer magnetischen Eigenschaft eines Materials ausgenutzt wird, umgehen zwar die Nachteile eines mechanisch-elektrischen Wandlers, haben aber immer noch Nachteile, wie z. B. das Einkoppeln elektromagnetischer Störungen in Übertragungsleitungen bei einer Meßwertfern­ übertragung.

Diese Art der Meßgeräte, zu denen auch Geräte zählen, die Suszeptibilitätsmessungen (oft gilt ein Curie-Gesetz X∼1/T) durchführen, werden überwiegend bei der Messung tiefer Temperaturen eingesetzt.

Zur Gruppe der optischen Temperaturmeßgeräte zählen unter anderem Pyrometer und Infrarotkameras. Die Nachteile dieser Meßgerätegruppe liegt darin, daß entweder die zu messende Temperatur sehr hoch sein muß, wie beim Pyrometer, oder die Infrarotkameras gekühlt werden müssen.

Es ist Stand der Technik, beim Schalten und Umschalten von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich, nachfolgend optische Strahlung genannt, welche in einem Wellenleiter geführt ist, Stecker oder Steckverteiler zu verwenden. Ebenso ist bekannt, daß mit elektromagnetisch bzw. elektrostatisch beeinflußbaren Koppelelementen ein Schalten, Verteilen, Vermitteln und Dämpfen von optischer Strahlung möglich ist.

Dämpfen, Schalten und Modulieren von optischer Strahlung läßt sich durch das Auftrennen des Lichtwellenleiters und Einfügen von Lichtventilen erreichen, die, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 35 28 285 beschrieben, durch den elektrostatisch beeinflußten Auf- oder Abbau einer Wolframoxidschicht realisiert werden.

Weiterhin ist es Stand der Technik, daß sich durch ein teil­ weises Freilegen des Kerns eines Lichtwellenleiters und durch das Auffangen der austretenden Strahlung optische Verzweigungen herstellen lassen.

Alle diese nach dem Stand der Technik aufgeführten Verfahren haben den Nachteil, daß sie die Dämpfung an den notwendigen Unterbrechungsstellen irreversibel erhöhen. Ein zusätzlicher Nachteil ist, daß der Lichtwellenleiter aufgetrennt bzw. freigelegt werden muß und somit die Möglichkeit des Ein­ diffundierens von Wasserstoff besteht. Dies verschlechtert die Transparenz des Faserkerns bis hin zur Unbrauchbarkeit des Lichtwellenleiters.

Zudem müssen die aufgetrennten Lichtleitfaserenden durch genaue und dadurch aufwendige Verfahren justiert werden, um eine möglichst kleine Dämpfung zu erreichen.

Bekannt ist ebenfalls, daß sich die Übertragungseigenschaften von Lichtwellenleitern durch mechanische oder umweltbedingte Einflüsse ändern.

So wird durch Biegung eines Lichtwellenleiters ab einem bestimmten, durch das Verhältnis der Brechungsindizes von Kern und Mantel vorgegebenen Krümmungsradius die optische Strahlung nicht mehr allein im Kern geführt, und es tritt ein mehr oder weniger großer Anteil der Strahlung aus der Faser aus. Die mechanische Belastbarkeit der Faser setzt diesem Verfahren zum Dämpfen optischer Strahlung enge Grenzen.

Durch die Krümmung der Faser werden Mikrorisse innerhalb der Faser erzeugt oder vergrößert, was ebenfalls eine Zunahme der Faserdämpfung bewirkt.

Auch hier verschlechtert eindiffundierter Wasserstoff die Transparenz des Kernmaterials.

Die überwiegende Anzahl der Lichtwellenleiter besteht aus einem Quarzkern und einem Quarzmantel, wobei eine geeignete Dotierung dafür sorgt, daß der Brechungsindex des Kerns geringfügig größer als derjenige des Mantels ist. Dies ermög­ licht im Kern eine Lichtleitung, die auf einer Vielzahl von Totalreflexionen an der Grenzfläche Kern/Hülle beruht. In diesem Fall haben beide Brechungsindizes eine sehr ähnliche Temperaturabhängigkeit, so daß für einen großen Temperatur­ bereich die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist. Die Dämpfung dieser Lichtwellenleiter ist daher nahezu temperatur­ unabhängig.

Der Einfluß der Temperatur auf das Dämpfungsverhalten von Lichtwellenleitern wurde bereits in verschiedenen Berichten diskutiert wie z. B. von G. S. Brockwag und M. R. Santana: Analysis of Thermally Induced Loss in Fiber-Optic Ribbons, The Bell System Technical Journal, April 1983, S. 993 bis 1018; von L. G. Cohen und J. W. Flemin: Effect of Temperature on Transmission in Lightguides, The Bell System Technical Journal, April 1979, S. 945 bis 951; von Reinhard Felgen­ hauer; Lichtwellenleiter für Betriebstemperaturbereich -55 bis +125 Grad Celsius, NTG-Fachberichte Nr. 89, 1985, S. 112 bis 115; und von K. Masuno und K. Ishihara: Optimum Design of Coated Optical Fiber Considering Excess Loss at Temperatures, Journal of Optical Communications 3 (1982) 4, S. 142 bis 145. Die diesen Berichten zugrunde­ liegenden Untersuchungen wurden, wie bereits bei R. Felgenhauer erwähnt, im Temperaturbereich von -55 bis +125 Grad Celsius durchgeführt. Bei diesen experimentell verwendeten Lichtwellen­ leitern handelt es sich um Quarz-Quarz-Typen. Wie zu erwarten finden die Autoren nur eine geringe Dämpfungszunahme beim Abkühlen, da die Brechungsindizes von Kern und Hülle nahezu die gleiche Temperaturabhänigkeit aufweisen.

Die geringe Dämpfungszunahme ist hauptsächlich auf mechanische Ursachen zurückzuführen und beträgt im ungünstigsten Fall 0,02 dB/m. Diese maximale Dämpfungszunahme kann, wie von Felgenhauer und Masuno/Ishihara beschrieben, durch geeignete Wahl des Materials und der Geometrie des Mantels minimiert werden.

Lichtwellenleiter aus organischem Material (Kunststoffasern) oder aus einer Kombination von anorganischem Kernmaterial (SiO₂) und einem organischem Mantelmaterial Silikon, wie die Multimode-Stufenindexfaser PCS der Firma Quartz Silice in Bad Pyrmont, Deutschland, wurden bisher nur bezüglich ihres mechanischen Verhaltens, wie Erweichung, Fließfestigkeit und Schmelzpunkt bei höheren Temperaturen sowie auf Sprödigkeit bei niederen Temperaturen untersucht.

Bekannt ist, daß sich bei diesem Lichtwellenleitertyp die Brechungsindizes von Kern und Mantel bei einer Temperatur­ absenkung unterschiedlich verhalten. Dieses Verhalten wurde jedoch nur insofern gewürdigt, als eine untere Betriebs­ temperatur angegeben wurde, bei der die Dämpfung noch in einem akzeptablen Bereich lag.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, das eine reversible Beeinflussung der optischen Strah­ lung innerhalb eines Lichtwellenleiters ermöglicht, ohne dabei den mechanischen Aufbau der Faser zu verändern.

Diese Aufgabe ist durch den kennzeichnenden Teil des Haupt­ anspruchs gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen näher gekennzeichnet.

Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die Temperaturabhängig­ keit der Transmission eines Lichtwellenleiters mit verschie­ denen Materialien für Kern (z. B. SiO₂) und Mantel (z. B. Silikon) auszunutzen. Bei der optischen Temperatur­ messung wird der Lichtwellenleiter in thermischen Kontakt mit dem zu messenden Objekt gebracht. Die reproduzierbare Messung beruht darauf, daß jeder transmittierten Lichtleistung ein­ deutig eine Temperatur zugeordnet ist.

Beim Abkühlen nimmt die Transmission wegen einer deutlichen Dämpfungszunahme des Lichtwellenleiters ab. Diese wird dadurch verursacht, daß das im Kern geführte Licht bei der Passage der abgekühlten Strecke den Lichtwellenleiter seitlich verläßt, weil die Bedingung der Totalreflexion n _M <n _K verletzt wird. Hierauf basiert die Anwendung zur reversiblen Auskopplung von Lichtenergie.

Kühlt man einen Lichtwellenleiter des Typs PCS auf einer Länge von 1 Meter auf die Temperatur - 196 Grad Celsius ab, so wird für die Lichtwellenlänge λ=0,7425 µm seine Transmission gegenüber derjenigen bei Zimmertemperatur um den Faktor 320 reduziert (vgl. Fig. 2a). Dies ermöglicht ein reversibles, durch die Temperatur gesteuertes Schalten der Lichtwellenleiter­ transmission.

Durch Temperaturvariation kann die transmittierte Lichtleistung moduliert werden. Dabei sollte die Variation bei einer Tempe­ ratur, bei der der Verlauf der Transmissionskurve als Funktion der Temperatur möglichst steil ist, erfolgen.

Messungen ergaben, daß mehrere hundert Abkühl- und Aufwärm­ zyklen keinen Einfluß auf die optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters haben.

Die Vorteile der Erfindung sind bei der Temperaturmessung die hohe Zuverlässigkeit und Eindeutigkeit, da keine Übergangs­ stellen wie Steckverbinder oder sonstige elektromechanische bzw. mechanische Meßwertaufnehmer das Meßergebnis verfälschen können. Es können tiefe Temperaturen im Bereich von +20 bis -196 Grad Celsius gemessen werden. Durch das Fehlen einer elektrischen Meßleitung ist die Messung und die Meßwertüber­ tragung störungsfrei gegenüber elektromagnetischen Störfeldern. Eine Anpassung und Optimierung an verschiedene Temperaturmeß­ bereiche ist durch Materialauswahl und Materialkombination leicht zu erreichen.

Ein reversibles Schalten oder Dämpfen von optischer Strahlung ist ebenfalls ohne mechanische Manipulation des Lichtwellen­ leiters und ohne das Einfügen von sonstigen Schaltelementen durch einfaches Abkühlen möglich.

Dies ermöglicht es beispielsweise bei Arbeiten an einer lichtführenden Strecke zum Zwecke des Augenschutzes der Operateure, die Strecke "abzuschalten", ohne den unter Umständen weit entfernten optischen Sender außer Betrieb nehmen zu müssen, und dadurch viele Benutzer stören zu müssen.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß ein Auskoppeln optischer Strahlung durch eine gekühlte Abgreifklemme ohne Beschädigung des Mantels möglich ist und dieser Vorgang reversibel ist. So kann u. a. das Eindringen von Wasserstoffionen sicher ver­ mieden werden.

Die Erfindung wird anhand von Beispielen in der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Temperaturverhalten der Brechungsindizes,

Fig. 2 zeigt das Übertragungsverhalten der Lichtwellenleiter und

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zum Auskoppeln optischer Strahlung.

In dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm ist der Brechungsindex n über der Temperatur T aufgetragen. Der Brechungsindex des Quarz-Kerns n _K ist bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius), entsprechend dem rechten Ende der eingetragenen Kurven größer als der Brechungsindex des Silikon-Mantels n _M der hier zugrundegelegten Multimode-Stufenindexfaser PCS.

Der Unterschied wird mit fallender Temperatur kleiner und strebt bei einer Grenztemperatur T _g gegen Null. Ab dieser Temperatur ist eine Führung von optischer Strahlung im Kern nicht mehr möglich, da keine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel auftreten kann.

Die Diagramme in Fig. 2 zeigen die transmittierte Lichtleistung P als Funktion der mit flüssiger Luft auf -196 Grad Celsius abgekühlten Länge l des Lichtwellenleiters PCS. Dabei ist die Wellenlänge des transmittierten Lichtes ein wesentlicher Parameter. Fig. 2a (2b) gilt für g=0,7425 µm (1,5 µm). Bei Fig. 2c wurde bei der Messung das kontinuierliche Spektrum eines schwarzen Strahlers mit T=2000 K (0,4 µm<λ<2,2 µm) verwendet.

Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung zum Auskoppeln von Licht an einer beliebigen Stelle des Lichtwellenleiters 1, ohne diesen mechanisch zu beschädigen. Der Lichtwellenleiter 1 besteht aus dem Quarz-Kern 11 und dem Silikon-Mantel 12. Eine Klemme 2 umschließt mit ihren Glasbacken 21 und 22 den Lichtwellen­ leiter 1. Der Mantel 12 und die Innenseiten der Glas­ backen 21 und 22 sind mit einem unter der eingetragenen Schutzmarke Tefzel bekannten transparenten Kunststoff beschichtet.

In einer der Glasbacken mündet ein Auskoppel-Lichtwellen­ leiter 3 mit dem Kern 31 und dem Mantel 32.

Über ein Rohrsystem 4, welches aus einem inneren Rohr 41 und einem konzentrisch zu diesem angeordneten äußeren Rohr 42 besteht, wird die zur Kühlung notwendige flüssige Luft zu- (inneres Rohr 41) und abgeführt (äußeres Rohr 42).

Claims (9)

1. Verfahren zur temperaturabhängigen Beeinflussung der Leiteigenschaften von Lichtwellenleitern für elektro­ magnetische Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kern und Mantel des Lichtwellenleiters Materialien mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit des jeweiligen Brechungsindex verwendet werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Raumtemperatur des Lichtwellenleiters der Brechungsindex des Mantels (n _M ) kleiner als der des Kerns (n _K ) ist und sich beim Absenken der Temperatur die Brechungsindizes von Kern und Mantel annähern und bei einer Grenztemperatur (T _g ) gleich sind, wobei bei einer weiteren Absenkung der Temperatur der Brechungsindex des Mantels den des Kerns übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus organischem Material besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter einer Temperatur ausgesetzt wird, die sich in einem Bereich von +30 Grad Celsius bis unter -196 Grad Celsius bewegt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Patentansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren zur Temperatur­ messung verwendet wird.

6. Anordnung gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung bevorzugt zur Messung tiefer Temperaturen verwendet wird.

7. Anordnung nach einem Verfahren gemäß der Patentansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung als Dämpfungsglied wirkt, dessen Dämpfungsgrad mittels der Temperatur steuerbar ist.

8. Anordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Modulator für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich verwendet wird.

9. Anordnung nach einem Verfahren gemäß einem der Patent­ ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung als ein Koppelelement verwendet wird, dessen Koppelfaktor in Abhängigkeit von der Temperatur des Koppelelementes beeinflußt wird.