Grundlagen der Glasfasertechnik und optischen Signalübertragung

Optische Detektoren: PIN-Dioden und APD

PIN-Fotodioden: Bieten eine hohe Geschwindigkeit, gute Empfindlichkeit und sind wirtschaftlich. Sie benötigen ein höheres Lichtniveau, um elektrischen Strom zu erzeugen, und werden für kurze Entfernungen eingesetzt.

Avalanche-Fotodioden (APD): Sie sind hochempfindlich und benötigen weniger Leistung bzw. einen geringeren Lichtpegel, sind jedoch teurer. Sie werden für große Entfernungen verwendet und reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen. Beide Diodenarten arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip bei der Übertragung von Informationen.

Arten von Glasfasern nach Brechungsindexprofil

• Stufenindex: Der Brechungsindex ist im Faserkern konstant und fällt an der Grenze zum Mantel sprunghaft ab.
• Gradientenindex: Der Brechungsindex ist nicht konstant, sondern nimmt kontinuierlich ab, je weiter man sich von der zentralen Achse entfernt.

Ausbreitungsmodi in Lichtwellenleitern

• Singlemode (Einmodenfaser): Faser, in der sich nur ein einziger Lichtstrahl ausbreitet; der Kerndurchmesser beträgt circa 9 bis 10 µm.
• Multimode (Mehrmodenfaser): Es können sich mehrere Lichtstrahlen ausbreiten; der Kerndurchmesser liegt typischerweise zwischen 50 µm und 62,5 µm.
• Optische Fenster: Für Multimode-Fasern werden üblicherweise das 1. und 2. optische Fenster genutzt, für Singlemode-Fasern das 2. und 3. Fenster.

Leistungsverluste und Dämpfung

• Extrinsische Verluste: Hängen nicht vom Fasermaterial selbst ab, sondern von externen Bedingungen; dazu gehören Krümmungsverluste (Biegeverluste) sowie Spleiße und Verbindungen.
• Intrinsische Verluste: Fasereigene, herstellungsbedingte Verluste, zu denen Materialdispersion, Fresnel-Reflexionen und Streuung zählen.

Bandbreite und Dispersion

Die Dispersion beschränkt die Bandbreite; Leistungsverluste treten in Abhängigkeit von der übertragenen Frequenz auf und dienen als Maß für die Übertragungseigenschaften der Faser.

• Gesamtdispersion: Führt zur Begrenzung der nutzbaren Bandbreite.
• Modale Dispersion: Tritt bei Multimode-Fasern auf; Interferenzen und Laufzeitunterschiede entstehen, da verschiedene Lichtstrahlen dieselbe Information auf unterschiedlichen Wegen und somit zu unterschiedlichen Zeiten übertragen.
• Chromatische Dispersion: Entsteht, weil der Brechungsindex mit der Wellenlänge variiert. Da das Lichtsignal aus unterschiedlichen Wellenlängen besteht, breiten sich diese im Material mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus.
• Wellenleiterdispersion und spektrale Breite: Bedingt durch die spektrale Breite der Lichtquelle; Variationen im Brechungsindex und in der Wellenführung führen dazu, dass Signalanteile die Faser zu verschiedenen Zeiten durchlaufen.

Schlauch- und Kabelstrukturen

Funktionen:

• Schutz der Glasfasern,
• Gewährleistung der Stabilität mechanischer Eigenschaften,
• Kompaktes Zusammenfassen und Bündeln mehrerer Fasern.