DE2744129A1 - Kern-mantel-glasfaser mit laengsseitigem koppelbereich - Google Patents

Kern-mantel-glasfaser mit laengsseitigem koppelbereich

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DE2744129A1 DE19772744129 DE2744129A DE2744129A1 DE 2744129 A1 DE2744129 A1 DE 2744129A1 DE 19772744129 DE19772744129 DE 19772744129 DE 2744129 A DE2744129 A DE 2744129A DE 2744129 A1 DE2744129 A1 DE 2744129A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (, Unser Zeichen
Berlin und München VPA 77 ρ 7 ι g g pan
Kern-Mantel-Glasfaser mit längsseitigem Koppelbereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kern-Mantel-Glasfaser für Lichtleitzwecke mit mindestens einem für das seitliche Ein- oder Auskoppeln von Licht in die oder aus der Faser bestimmten längsseitigen Koppelbereich, bei welcher eine den Kern bildende innere Glasfaser von einer den Mantel bildenden Glasschicht umgeben ist, wobei beim Übergang vom Kern zum Mantel ein Brechungsindexsprung von einem größeren nach einem niedrigeren Wert vorhanden ist.
Es sind Glasfaserlichtleiter der eingangs genannten Art bekannt (siehe T. Ozeki und B.S. Kawasaki in Appl.Phys.Lett. 28, 1976, S. 528 - 529), bei denen die Koppelbereiche durch lokale Einschnürungen der Kern-Mantel-Glasfaser gebildet sind, bei denen der Kerndurchmesser wie auch der Manteldurchmesser gegenüber der übrigen Faser verringert ist. Solche Glasfasern werden für Mischer verwendet, wobei dazu die Koppelbereiche mehrerer Lichtleiter miteinander verklebt werden und dabei eine möglichst dichte Packung angestrebt wird. Mit zunehmender Faseranzahl wird aber eine dichte Packung erschwert, weil bei einer solchen die Differenz zwischen dem Durchmesser des Bündels im Koppelbereich und außerhalb rasch zunimmt und die äußeren Fasern dadurch im Koppelbereich einer starken Durchbiegung unterworfen sind. Der Biegefestigkeit und der Ziehfestigkeit einer Einzelfaser sind aber Grenzen gesetzt, besonders an den Einschnürungen.
Ed 1 sti/29.9.77 809815/0169
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Glasfaserlichtleiter der eingangs genannten Art anzugeben, die in beliebiger Anzahl in dichteste Packung gebracht werden können.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Koppelbereich durch eine Aussparung im Mantel der Glasfaser gebildet ist. Über diese Aussparungen kann Licht in den Kern der Faser eingekoppelt oder daraus ausgekoppelt werden. Die Stärke der Ein- bzw. Auskopplung kann durch die Fläche der Aussparung festgelegt werden. Einschnürungen im Koppelbereich sind nicht mehr notwendig.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Glasfaser zeichnet sich dadurch aus, daß die Aussparung ein Längsschlitz ist. Hier kann die Stärke der Ein- bzw. Auskopplung allein über die Länge der Faser und des Längsschlitzes festgelegt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten gehen aus weiteren Unteransprüchen hervor.
Vorteilhafterweise werden solche Glasfaserlichtleiter in einer Vorrichtung hergestellt, die gekennzeichnet ist durch eine Doppeltiegelvorrichtung mit mindestens einer Ziehdüse, bei der die konzentrisch zu der Öffnung des Außentiegels angeordnete Öffnung des Innentiegels für jede vorgesehene Aussparung eine Ausbuchtung aufweist, die mindestens bis zum Rand der Öffnung des Außentiegels heranreicht. Mit Hilfe dieser Vorrichtung lassen sich die mit Koppelbereichen versehenen Glasfasern ohne besondere Maßnahmen wie herkömmliche Glasfasern aus dem Doppeltiegel herstellen.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines hier angegebenen Glasfaserlichtleiters mit Koppelbereich zeichnet sich dadurch aus, daß in einem aus Mantelglasmaterial bestehenden Rohr mindestens eine Aussparung erzeugt wird, daß in das Rohr für jeden vorgesehenen Koppelbereich ein aus Kernglasmaterial bestehender Stab eingeführt und beide zumindest an einem Ende verschmolzen werden und daß Stab und Rohr nach dem Stab-Rohr-Verfahren zur Faser gezogen werden.
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77 P 7 16 5 BRD
Ein anderes vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines hier angegebenen Glasfaserlichtleiters mit Koppelbereich zeichnet sich dadurch aus, daß im Mantel einer Faservorform, bestehend aus einem Stab aus Kernglasmaterial, der von Mantelglas umgeben ist für jeden vorgesehenen Koppelbereich eine Aussparung erzeugt wird und diese Vorform dann zur Faser gezogen wird.
Die hier angegebenen Glasfaserlichtleiter können in beliebiger Anzahl dichtest gepackt werden, sind preisgünstig und einfach herstellbar, weisen eine hohe Festigkeit auf und können zur Herstellung von Glasfaser-Abzweigungen, Verteilern, Riehtkopplern und Mischern in optischen Nachrichtenübertragungssystemen, insbesondere mit Multimode-Glasfasern, verwendet werden.
Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 die Ausführungsform eines Glasfaserlichtleiters mit längsseitigem Koppelbereich in Form eines Schlitzes, Figur 2 im Querschnitt zwei miteinander gekoppelte Glasfaserlichtleiter nach Figur 1,
Figur 3 mehrere zu einem Mischer gekoppelte Glasfaserlichtleiter in Bündelform,
Figur 4 im Querschnitt mehrere zu einem Mischer gekoppelte
Glasfaserlichtleiter in Flachform, Figur 5a eine Anordnung mit einem Glasfaserlichtleiter und einem über dem Koppelbereich angeordneten lichtempfindliehen Detektor im Längsschnitt,
Figur 5b die Anordnung nach Figur 5a im Querschnitt, Figur 6a eine Anordnung mit einem Glasfaserlichtleiter und zwei über dem Koppelbereich angeordneten Detektoren im Längsschnitt,
Figur 6b die Anordnung nach Figur 6a im Querschnitt
Figur 7a den Längsschnitt durch die Mitte des Innentiegels einer Doppeltiegelanordnung zur Herstellung eines Kern-Mantel-Glasfaserlichtleiters mit längsseitigem Koppelbereich,
809815/0169
Figur 7b die Draufsicht von oben auf den Innentiegel nach
Figur 7a,
Figur 8 den Querschnitt durch eine Faservorform.
In der in Figur 1 dargestellten Kern-Mantel-Glasfaser ist die innere Kernfaser mit 1 und der Mantel mit 2 bezeichnet. Der Koppelbereich wird durch den Längsschlitz 3 im Mantel gebildet und erstreckt sich hier also über die ganze Länge der Glasfaser.
Das in Figur 1 dargestellte Stück kann beispielsweise in einem längeren Glasfaserlichtlieter als Koppelstück verwendet werden, wobei dazu an dessen Stirnseiten beispielsweise normale Kern-Mantel-Glasfaserlichtleiter ohne längsseitige Koppelbereiche angekoppelt werden.
In der Figur 2 ist im Querschnitt eine Anordnung zweier aneinander gekoppelter Glasfaserlichtleiter nach Figur 1 dargestellt. Die Kernfasern sind mit 21 bzw. 12 und die Mäntel mit 22 bzw.
bezeichnet. Die Koppelbereiche 31 und 32 liegen sich gegenüber, sind also einander zugewandt. Die Verbindung 20 beider Fasern ist mittels lichtdurchlässigem Kleber, beispielsweise Gießharz, hergestellt und füllt den ganzen Zwischenraum zwischen den Fasern aus. Der Brechungsindex des Klebermaterials muß größer sein als die Brechungsindizes der Mantel 22 bzw. 23. Dies gilt im übrigen allgemein für die folgenden Anordnungen, bei denen Klebermaterial verwendet wird.
In der Figur 3 ist ein Mischer aus mehreren vorgeschlagenen Kern-Mantel-Glasfasern 5 bis 10 mit längsseitigem Koppelbereich in Bündelform dargestellt. Die Glasfasern sind ähnlich wie in der Anordnung nach Figur 2 mittels eines lichtdurchlässigen Klebers miteinander verklebt. Die Koppelbereiche der Glasfasern 5 bis 9 sind alle auf die zentral angeordneten Glasfaser 10 ausgerichtet. Die Koppelbereiche der Glasfasern 6 und 10 liegen sich gegenüber. An und für sich würde ein Verkleben der Glasfasern ausreichen. Es ist aber zweckmäßig, das Glasfaserbündel vor dem Verkleben in eine Glaskapillare 30 einzuführen, deren Brechungsindex höchstens gleich dem kleinsten im Bündel vor-
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-9- §> 77 P 7 t 5 δ BRD
handenen Brechungsindex sein darf und das Bündel darin mittels Gießharz zu vergießen. Das aus einem Schlitz austretende Licht verteilt sich über den gesamten Querschnitt des Lichtleiterbündels und tritt jeweils wieder durch die Schlitze der anderen Lichtleiter in deren Kerne ein und wird dort größtenteils wieder geführt. Zweckmäßig ist es auch, das Bündel zu verseilen. Die Lichtleiter können auch miteinander verschmolzen werden.
In der Figur 4 ist im Querschnitt ein Mischer in Flachform dargestellt. Die Kern-Mantel-Glasfasern 41 bis 46 sind in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Bis auf die beiden äußersten Lichtleiter 41 und 46 ist jeder Lichtleiter mit zwei sich gegenüberliegenden Längsschlitzen versehen. Die Schlitze benachbarter Glasfasern liegen sich gegenüber. Die Glasfasern sind zwischen zwei Glasplatten 48 und 49, deren Brechungsindex höchstens gleich dem kleinsten in den Glasfasern vorhandenen Brechungsindex sein darf, angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den Glasfasern ist wieder mit Klebermaterial, beispielsweise Gießharz, ausgefüllt. Mit der flachen Ausführung erhält man eine besonders verlustarme Kopplung, da sich die Koppelbereiche direkt gegenüberliegen.
In den Figuren 5a und b ist eine Anordnung mit einer vorgeschlagenen Glasfaser und einem Detektor über dem Koppelbereich dargestellt. Die Figur 5a zeigt dabei einen Schnitt durch die Faser längs der Glasfaser und die Figur 5b einen Schnitt quer zur Glasfaser. Der Längsschnitt ist längs der Schnittlinie Va - Va und der Querschnitt längs der Schnittlinie Vb-Vb geführt. Die Anordnung ist so aufgebaut, daß auf einem Substrat 50, beispielsweise aus Glas oder Silizium die Glasfaser angeordnet ist, die aus drei Anteilen aufgebaut ist, nämlich aus zwei herkömmlichen Kern-Mantel-Glasfasern 51 und 53 und aus einem Mittelstück 52, welche eine vorgeschlagene Kern-Mantel-Glasfaser mit Koppelbereich 520 ist. über dem Koppelbereich ist ein lichtempfindlicher Detektor 54 angeordnet. Die Befestigung der Faser auf dem Substrat, welches vorzugsweise aus Glas besteht und dessen Brechungsindex höchstens gleich dem kleinsten Brechungsindex in der Faser sein darf, erfolgt mittels einer auf dem Substrat aufgebrachten Faserführung 55. Diese Faserführung, die vorzugs-
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weise unterschnittenes Profil aufweist, kann beispielsweise fotolithografisch in lichtempfindlichen Folien (z.B. Riston von DuPont) oder durch richtungsselektives Ätzen einer SiIiziumscheibe hergestellt werden. Letzteres ist zur Herstellung von unterschnittenem Profil besonders geeignet. Die Befestigung des Detektors erfolgt vorzugsweise mit Gießharz.
In den Figuren 6a und b sind wie in den Figuren 5a und b eine dreiteilige Glasfaser und ein Substrat dargestellt. Diese Anordnung unterscheidet sich von der vorhergehenden lediglich dadurch, daß über dem Koppelbereich zwei schräggestellte lichtempfindliche Detektoren 61 und 62 angeordnet sind. Der Detektor 62 empfängt hauptsächlich das von links kommende und der Detektor 61 hauptsächlich das von rechts aus der Glasfaser kommende Licht.
Für die Herstellung einer vorgeschlagenen Kern-Mantel-Glasfaser mit längsseitigem Koppelbereich eignen sich vorzugsweise die drei im folgenden beschriebenen Verfahren. Ein erstes vorteilhaftes Herstellungsverfahren verwendet das Doppeltiegel-Verfahren. Es werden dabei die Glasfasern in einer Doppeltiegel-Vorrichtung mit mindestens einer Ziehdüse hergestellt, bei der die konzentrisch zu der Öffnung des Außentiegels angeordnete Öffnung des Innentiegels zumindest eine Ausbuchtung aufweist, die mindestens bis zum Rand der öffnung des Außentiegels heranreicht. In den Figuren 7 a und b ist ein solcher Innentiegel dargestellt. In Figur 7a ist ein Längsschnitt durch den Kegel längs seiner Mittelachse und in Figur 7b eine Draufsicht von oben auf ihn dargestellt. Deutlich sind die beiden Ausbuchtungen 71 und 72 zu erkennen, die die Öffnung 70 aufweist. Mit diesem Tiegel können Lichtleiter mit zwei gegenüberliegenden Längsschlitzen, wie sie in der Figur 4 dargestellt sind, hergestellt werden. Allgemein gilt, daß für jeden zu erzeugenden Schlitz eine Ausbuchtung vorhanden sein mui3. Es können so also auch Glasfasern mit mehreren über den Umfang des Mantels verteilte Aussparungen erzeugt werden.
Das Ziehverfahren erfolgt wie beim bekannten Doppeltiegel-Verfahren (Siehe H.Aulich, J.Grabmaier, K.H. Eisenrith. G.Kins-
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-7- λ0 77 P 7 1 S 6 BRD
hofer "Topical Meeting on Optical Fiber Transmission", Febr. 22-24, 1977, Williamsburg USA) in herkömmlicher Weise. Das bekannte Doppeltiegel-Verfahren verwendet zwei konzentrisch ineinandersitzende Tiegel, deren Boden mit einer Düse versehen ist. Die Düse besteht aus zwei öffnungen, nämlich einer mit kleinerem Durchmesser im Innentiegel und einer mit größerem Durchmesser im Außentiegel. Die Mittelachse der Öffnung im Innentiegel, der beispielsweise einen Durchmesser von 4 cm aufweist und beispielsweise aus einer Platin-Rhodium-Legierung von 90 % Platin und Rest Rhodium besteht, fällt mit der Mittelachse der Öffnung im Außentiegel, der beispielsweise einen Durchmesser von 6 cm aufweisen kann und beispielsweise aus derselben Legierung wie der Innentiegel besteht, zusammen. Der Abstand zwischen den Tiegelböden wird beispielsweise auf 2 mm eingestellt. Der Außentiegel wird mit Mantelglas und der Innentiegel mit Kernglas gefüllt und bei etwa 7000C eine Lichtleitfaser mit einem Kern von z.B. 100/i bei einem gesamten Durchmesser von 120/um gezogen.
Ein anderes Herstellungsverfahren verwendet das Stab-Rohr-Verfahren. Dazu wird in einem aus Mantelglasmaterial bestehenden kommerziellen Rohr mindestens eine Aussparung, beispielsweise ein Längsschlitz,erzeugt, beispielsweise mittels einer Diamantsäge und anschließend mit verdünnter Flußsäure und destilliertem Wasser gereinigt. Die Breite des Schlitzes kann beispielsweise durch die Dicke des Sägeblattes der Diamantsäge bestimmt werden und läßt sich dadurch einfach variieren. In das mit der Aussparung versehene und sorgfältig gereinigte Glasrohr wird nun ebenfalls ein gereinigter Glasstab aus' Kernglasmaterial eingeführt und beispielsweise an einem Ende mit dem Glasrohr verschmolzen. Diese Stab-Rohr-Kombination wird nun in einer Faserziehanlage eingespannt und mehrmals durch die Heizzone des Ziehofens geführt, die auf eine Temperatur von etwa 5000C eingestellt ist. Dadurch soll absorbierte Feuchtigkeit von der Grenzfläche Stab/Rohr entfernt werden, die andernfalls beim Faserziehen zur Bläschenbildung und damit zu hohen Streuverlusten der Faser führen würde. Im übrigen sind bei diesem Verfahren alle Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, wie sie beim
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274A129
■*- AA 77 P 7 1 S B BRD
Stab-Rohr-Verfahren im allgemeinen erforderlich sind. Nach dem Trocknungsprozeß wird die Temperatur auf einen zum Faserziehen geeigneten Wert erhöht und die Stab-Rohr-Kombination in bekannter Weise zur Faser ausgezogen. Bei einem praktischen Versuch wurde als Glasrohr ein Glas des AR-Typs der Fa. Schott mit einer lichten Weite von 10 mm und einem Außendurchmesser von 12 mm und mit einem Brechungsindex von 1,516 verwendet und mit einer Diamantsäge von 50 cm Länge geschlitzt. Die Breite des Schlitzes betrug 1 mm. Als Faserkernmaterial diente ein Bleiglas des Typs F-7 der Fa. Schott. Nach dem Reinigen des Rohres und des Glasstabes, der einen Durchmesser von 10 mm und einen Brechungsindex von 1, 62 aufwies, wurde die Stab-Rohr -Kombinat ion bei einer Temperatur von etwa 7000C zu einer etwa 140/um dicken Glasfaser mit Schlitz im Mantel ausgezogen.
Temperatur und Abzugsgeschwindigkeit lassen sich übrigens so wählen, daß der Schlitz mit Kernmaterial vollständig ausgefüllt wird. In der Figur 8 ist ein Querschnitt durch eine so hergestellte Faservorform dargestellt. Der Kern ist mit 81 und der Mantel mit 82 bezeichnet. Mit diesem Fasertyp kann bei bestimmten Anwendungen eine einfachere Ein- bzw. Auskopplung der Lichtsignale erreicht werden.
Bei einem weiteren vorteilhaften Herstellungsverfahren geht man von einer Faservorform, "bestehend aus einem Stab aus Kernglasmaterial, der von Mantelglas umgeben ist, aus und erzeugt im Mantel eine Aussparung. Dies kann durch Sägen, Ätzen oder Schmelzen, beispielsweise mittels Laser, parallel oder senkrecht zur Stabachse erfolgen. Entscheidend ist, daß in allen Fällen das Mantelglas an bestimmten Stellen in genau definierter Weise entfernt wird, so daß beim anschließenden Faserziehprozeß Lichtleitfasern mit den gewünschten Koppelbereichen erhalten werden. Dieses Verfahren hat den besonderen Vorteil, daß in sehr gut definierter Weise Fasern erhalten werden können, die nur lokal mit längsseitigen Koppelbereichen versehen sind, die nicht über die ganze Länge geschlitzt sind. Man kann also mit diesem Verfahren aus drei Anteilen bestehende Fasern, wie sie beispielsweise in der Figur 5a bzw. 6a dargestellt sind, einstückig herstellen. Die Faservorform kann in bekannter Weise nach dem Verfahren der chemischen Dampfabscheidung hergestellt
werden- 909815/0169

Claims (16)

77 P 7 1 6 6 BRD Patentansprüche
1. Kern-Mantel-Glasfaser für Lichtleitzwecke mit mindestens einem für das seitliche Ein- oder Auskoppeln von Licht in die oder aus der Faser bestimmten längsseitigen Koppelbereich, , bei welcher eine den Kern bildende innere Glasfaser von einer den Mantel bildenden Glasschicht umgeben ist, wobei beim Übergang vom Kern zum Mantel ein Brechungsindexsprung von einem größeren nach einem niedrigeren Wert vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Koppelbereich durch eine Aussparung (3, 31, 32) im Mantel der Glasfaser gebildet ist.
2. Glasfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung ein Längsschlitz ist.
3. Glasfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere über den Umfang des Mantels verteilte Aussparungen vorhanden sind, wobei jede einen selbständigen Koppelbereich bildet.
4. Glasfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Aussparungen über die Länge der Glasfaser verteilte Aussparungen vorhanden sind, wobei jede einen selbständigen Koppelbereich bildet.
5. Mischer aus zwei oder mehreren Kern-Mantel-Glasfaserlichtleitern, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern nebeneinander angeordnet sind, daß dabei die Aussparungen der verschiedenen Glasfasern sich in Längsrichtung gegenseitig überdecken.
6. Mischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei zumindest zwei nebeneinander liegenden Glasfasern zwei Aussparungen einander zugewandt sind.
7. Mischer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, .daß die Glasfasern in Bündelform nebeneinander angeordnet sind.
Θ09816/0169
27AA129
-te- 1 77 P 7 1 G 5 8RD
8. Mischer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern in einer Fläche nebeneinander angeordnet sind.
9. Mischer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern mittels eines lichtdurchlässigen Klebers miteinander verklebt sind.
10. Glasfasern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über zumindest einer Aussparung wenigstens ein lichtempfindlicher Detektor angeordnet ist.
11. Glasfaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß über zumindest einer Aussparung zwei schräggestellte lichtempfindliche Detektoren angeordnet sind.
12 Glasfaser nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Detektoren mit lichtdurchlässigem Kleber bewerkstelligt ist.
1.3. Glasfaser nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser mittels einer auf einem Substrat aufgebrachten Faserführung befestigt ist.
14. Vorrichtung zur Herstellung einer Glasfaser nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch eine Doppeltiegelvorrichtung mit mindestens einer Ziehdüse, bei der die konzentrisch zu der Öffnung des Außentiegels angeordnete Öffnung des Innentiegels zumindest eine Ausbuchtung aufweist, die mindestens bis zum Rand jeder Öffnung heranreicht.
15. Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem aus Mantelglasmaterial bestehenden Rohr mindestens eine Aussparung erzeugt wird, daß in das Rohr ein aus Kernglasmaterial bestehender Stab eingeführt und beide an einem Ende verschmolzen werden und daß Stab und Rohr nach dem Stab-Rohr-Verfahren der Faser gezogen werden.
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77 ρ 7 ι 6 6 BRD
16. Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel einer Faservorform, bestehend aus einem Stab aus Kernglasmaterial, der vom Mantelglas umgeben ist, mindestens eine Aussparung erzeugt wird und die Vorform dann zur Faser gezogen wird .
909815/0169
DE19772744129 1977-09-30 1977-09-30 Kern-mantel-glasfaser mit laengsseitigem koppelbereich Withdrawn DE2744129A1 (de)

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