Grundlagen, Verluste und Komponenten Optischer Fasern

Klassifizierung von Optischen Fasern

• Nach dielektrischen Materialien:
  • Silizium-Glasfaser
  • Mehrkomponenten-Glasfasern
  • Plastic Optical Fiber (POF)
• Nach Art der Fortpflanzung (Modus):
  • Single-Mode-Glasfaser (SM)
  • Multimode-Glasfaser (MM)
• Nach Verteilung des Brechungsindex:
  • Glasfaser mit Stufenindex (Step Index, SI)
  • Glasfaser mit Gradientenindex (Graded Index, GI)

Verluste in Optischen Fasern

Absorptionsverluste

Die Absorption tritt auf, wenn Licht, das sich innerhalb der Glasfaser ausbreitet, in Wärme umgewandelt wird. Dieser Verlust entsteht, da ein Teil des Lichts von der Faser absorbiert wird, ähnlich wie ein schwarzer Vorhang Licht absorbiert und in Wärme umwandelt.

Rayleigh-Streuverluste

Die Rayleigh-Streuung tritt auf, wenn Lichtwellen in verschiedene Richtungen gestreut werden, weil sie mit Materialteilchen kollidieren, deren Größe vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts ist.

Streuverluste durch Inhomogenitäten

In der Faseroptik gibt es kleine Schwankungen oder Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche zwischen dem Kern (Core) und dem Mantel (Cladding). Diese Schwankungen führen dazu, dass Licht auf Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex trifft, was eine Streuung in mehrere Richtungen verursacht.

Biegeverluste (Makrobiegung)

Diese Verluste treten auf, wenn die Faser gebogen wird. Durch die Biegung kann der Lichtstrahl den maximalen Einfallswinkel für die Totalreflexion überschreiten, wodurch Licht aus dem Kern austritt.

Mikrokrümmungsverluste

Wenn ein ungleichmäßiger seitlicher Druck auf eine optische Faser ausgeübt wird, wird die Längsachse der Faser leicht gekrümmt (Mikrokrümmung). Dies führt zu einer Erhöhung der Verluste.

Verluste an Verbindungsstellen

Die Verbindungsstellen von LWL-Steckern (lösbar) oder Spleißen (permanent) sind vergleichbar mit den Verbindungen von Wasser- oder Gasrohren. Die Verbindung muss perfekt sein, um Leckagen zu vermeiden. Faserverbindungen müssen ebenfalls perfekt sein, um Lichtlecks und Reflexionen (Fresnel-Reflexion) zu vermeiden.

Kopplungsverluste zwischen Faser, Empfänger und Sender

Da die Durchmesser der Fasern sehr klein sind, muss der Winkel, in dem der Lichtstrahl in die Faser eintritt, sehr präzise sein. Da die Lichtquellen der Hersteller nicht perfekt sind, können enorme Verluste beim Einkoppeln des Lichts in den Kern entstehen. Dies wird gelöst, indem der Sender bereits im Werk mit einem Stück Faser (Pigtail) versehen wird. Beim Empfänger ist es wünschenswert, Reflexionen des Lichts in die Faser zu verhindern.

Dispersion von Licht in Optischen Fasern (Impulsverbreiterung)

Die Dispersion ist ein Phänomen, das aus verschiedenen Gründen auftritt. Grundsätzlich kann sie als die Verbreiterung der übertragenen Lichtimpulse definiert werden, da die Komponenten des Lichtsignals unterschiedliche Zeiten benötigen, um die optische Faser zu durchqueren und den Empfänger zu erreichen.

Modale Dispersion

In Multimode-Fasern gibt es verschiedene Moden oder „Strahlen“, um sich im Inneren auszubreiten. Das Hauptmerkmal dieser Moden ist, dass sie unterschiedliche Wege zurücklegen. Im Extremfall breiten sich einige Strahlen axial aus, während andere eine zickzackförmige Linie zur Faserachse beschreiben. Offensichtlich führt dieser Gangunterschied zu einem Unterschied in der Ankunftszeit beim Empfänger, was eine Verbreiterung des Impulses verursacht.

Chromatische Dispersion

Chromatische Dispersion ist definiert als jede Dispersion, die von der Wellenlänge abhängt.

Wellenleiterdispersion

Diese tritt auf, wenn sich der Brechungsindex des Kerns nur geringfügig von dem des Mantels unterscheidet.

Herstellungsverfahren

Die Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) war eine der ersten Methoden zur Herstellung von Fasern mit geringen Verlusten. Eine zweite Methode zur Herstellung von Fasern beinhaltet einen Doppeltiegel. Die CVD-Methode wurde von Corning Glass verwendet, um Fasern mit geringen Ausbreitungsverlusten herzustellen, als sie 1970 die erste Faser mit 20 dB/km entwickelten. Eine modifizierte Version der CVD (MCVD) ist derzeit in Gebrauch, bei der die chemische Dampfabscheidung in einem Siliziumrohr mit hoher Kapazität erfolgt.

Optische Quellen (Sender)

Der Halbleiterlaser (LD, Laserdiode) und die Leuchtdiode (LED) werden universell als Lichtquellen in der optischen Nachrichtentechnik eingesetzt, da kaum eine andere optische Quelle direkt bei den erforderlichen Geschwindigkeiten moduliert werden kann, und dies mit so geringer Anregung und niedriger Leistung.

Die Wahl zwischen Laser und LED hängt vom System ab:

• Für große Bandbreiten und Langstreckenverbindungen bietet der Laser die bessere Leistung.
• Für kurze und mittlere Strecken mit begrenzter Bandbreite, bei denen geringe Ausgangsleistung, Frequenzgang und große spektrale Breite keine limitierenden Faktoren sind, wird in der Regel die LED gewählt, da sowohl die Ansteuerungs- als auch die Kontrollschaltung einfacher sind.

Optische Verstärker

Optische Verstärker werden in Faserübertragungsnetzen verwendet, um optische Verbindungen zu verbessern, indem sie das Signal verstärken. Dies ermöglicht einen größeren Abstand zwischen den Repeatern in Peer-to-Peer-Netzwerken oder erhöht den Verteilungsfaktor (Split-Faktor) in Laserdiode-Verteilungssystemen.