Optische Fasern verstehen: Aufbau, Funktion & Verbindung

1. Was ist eine optische Faser und wie funktioniert sie?

Eine optische Faser ist eine sehr feine Leitung aus transparentem Material (Glas oder Kunststoff), die Lichtpulse leitet. Sie besteht aus einem Kern, der von einer Beschichtung (Mantel) umgeben ist. Diese Lichtpulse repräsentieren die zu übertragenden Daten.

2. Der Brechungsindex: Definition und Bedeutung

Wenn Licht ein klares, aber dichteres Medium durchquert, bewegt es sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) kann angenähert werden:

• c ≈ 300.000 km/s (oder 3 x 10⁸ m/s)

Für die neue Geschwindigkeit des Lichts (v) innerhalb des Mediums gilt die Gleichung:

v = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c)
Brechungsindex (n)

Jede Faser besteht aus einem Kern aus Kunststoff oder Glas (z.B. Siliziumdioxid und Germanium) mit einem hohen Brechungsindex, der von einer Schicht aus einem ähnlichen Material mit einem geringfügig niedrigeren Brechungsindex umgeben ist. Trifft Licht auf eine Grenzfläche zu einem Medium mit geringerem Brechungsindex, wird es zu einem großen Teil reflektiert. Je größer die Differenz der Brechungsindizes und je größer der Einfallswinkel, desto eher tritt die Totalreflexion auf.

Die Funktion der Faser basiert darauf, dass ein Lichtstrahl im Kern der Faser so geleitet wird, dass er nicht durch den Mantel entweicht, sondern reflektiert wird und sich weiter ausbreitet. Dies wird erreicht, wenn der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Mantels und der Einfallswinkel den Grenzwinkel überschreitet.

3. Der kritische Winkel und die Totalreflexion

Ein besonderer Fall der Brechung tritt auf, wenn der gebrochene Strahl entlang der Grenzfläche zwischen zwei Medien verläuft, senkrecht zur Normalen.

Dies ist der kritische Brechungswinkel, der wie folgt berechnet wird:

• Der kritische Brechungswinkel ist entscheidend für die Klassifizierung von Lichtstrahlen in Bezug auf Winkel, die kleiner oder größer als dieser kritische Winkel sind.
• Bei kleineren Einfallswinkeln wird der Lichtstrahl gebrochen und tritt vom dichteren in das weniger dichte Medium über.
• Bei größeren Einfallswinkeln wird das Licht vollständig in das dichtere Medium zurückreflektiert.
• Dies wird als Totalreflexion bezeichnet und ist das grundlegende Funktionsprinzip aller optischen Fasern.

4. Dämpfung in optischen Fasern: Ursachen und Arten

Dämpfung ist der Verlust der Lichtleistung eines Signals, das sich durch ein Übertragungsmedium ausbreitet. Ihr Koeffizient ist abstandsabhängig.

Ursachen der Dämpfung:

• Rayleigh-Streuung: Verursacht durch die Streuung von Licht aufgrund von Unregelmäßigkeiten, Diskontinuitäten und Inhomogenitäten im Material, insbesondere wenn die Unvollkommenheiten kleiner oder gleich der Wellenlänge (λ) sind. Dieses Phänomen tritt in allen transparenten Materialien auf und ist proportional zu 1/λ⁴.
• Absorption (intrinsisch): Entsteht durch die Wechselwirkung von Licht mit dem Material. Eigenabsorption wird durch mechanische Resonanzen der Glasmoleküle (Absorption von Infrarot-Energie) und Übergänge in elektronischen Bändern (Absorption von UV-Energie) verursacht.
• Absorption (extrinsisch): Verursacht durch Verunreinigungen im Material, wie z.B. Übergangsmetallionen.
• Lineare dispersive Dämpfung: Verursacht durch die Kopplung verschiedener Ausbreitungsmodi. Sie kann auch durch Spannungen und extreme Krümmungen entstehen.
• Nichtlineare dispersive Dämpfung: Ein komplexes Phänomen, das die Entstehung höherer Moden (Erzeugung verschiedener, höherer Frequenzen) beinhaltet. Dazu gehören die stimulierte Raman- und Brillouin-Streuung, die in optischen Verstärkern genutzt werden. Sie erfordert relativ hohe Leistungen.

5. Dispersion in optischen Fasern: Arten und Auswirkungen

Je nach Brechungsindexprofil des Kerns unterscheiden wir zwei Arten von Multimode-Fasern:

• Stufenindexfaser (Step-Index): Bei diesem Fasertyp hat der Kern einen konstanten Brechungsindex über seinen zylindrischen Querschnitt, was zu einer hohen modalen Dispersion führt.
• Gradientenindexfaser (Graded-Index): Bei diesem Typ ist der Brechungsindex nicht konstant, sondern nimmt vom Zentrum zum Rand hin ab. Dies führt zu einer geringeren modalen Dispersion, und der Kern kann aus verschiedenen Materialien bestehen.

Dispersion ist ein Phänomen, bei dem sich Lichtpulse, die durch die Faser übertragen werden, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, was zu einer Verbreiterung des Pulses und einer Verringerung der Bandbreite führt. Die Haupttypen der Dispersion sind:

• Chromatische Dispersion
• Modale Dispersion

6. Typen von Glasfasern: Multimode und Singlemode

Die unterschiedlichen Wege, die ein Lichtstrahl in einer Faser nehmen kann, werden als Ausbreitungsmodi bezeichnet. Entsprechend dem Ausbreitungsmodus gibt es zwei Haupttypen von Glasfasern:

• Multimode-Faser: Eine Glasfaser, in der Lichtstrahlen mehrere Modi oder Pfade nutzen können. Dies führt dazu, dass die Lichtpulse nicht gleichzeitig am Empfänger ankommen.
• Singlemode-Faser: Eine Glasfaser, in der sich nur ein einziger Lichtmodus ausbreiten kann. Dies wird durch die Reduzierung des Faserkern-Durchmessers auf eine sehr geringe Größe (typischerweise 8,3 bis 10 Mikrometer) erreicht, die nur einen Ausbreitungsmodus zulässt.

7. Verbindungsmethoden für optische Fasern

Für die dauerhafte Verbindung optischer Fasern gibt es verschiedene Methoden:

Fusionsspleißen (Fusion Splicing)

Dabei werden die Enden der Fasern dauerhaft durch Schmelzen miteinander verbunden. Dies geschieht typischerweise durch einen elektrischen Lichtbogen oder eine Flamme.

Vorbereitung und Prozess:

• Reinigung: Alle Schutzschichten der Faser müssen entfernt werden (Abisolieren). Anschließend wird die Faser sorgfältig mit einem Lösungsmittel (meist Aceton) gereinigt.
• Schneiden: Die Faserenden müssen präzise und rechtwinklig geschnitten werden, um eine optimale Spleißqualität zu gewährleisten.
• Ausrichtung: Die Spleißgeräte richten die beiden Faserenden exakt zueinander aus, bevor der Schmelzvorgang beginnt.

Methoden des Fusionsspleißens:

• Elektrischer Lichtbogen: Die am häufigsten verwendete Methode, bei der ein elektrischer Lichtbogen die Faserenden schmilzt und verbindet.
• Flamme: Eine ältere Methode, bei der eine Flamme zum Schmelzen der Faserenden verwendet wird.

Mechanisches Spleißen (Mechanical Splicing)

Beim mechanischen Spleißen werden die Fasern in einem Ausrichtungsmechanismus positioniert und anschließend mit einem Epoxidharzkleber oder einem Index-Matching-Gel fixiert. Die Vorbereitung (Reinigung und Schneiden) ist hier ebenfalls essenziell.

Typen und Mechanismen:

• Klebe-Spleiße: Die Fasern werden in einen Ausrichtungsmechanismus eingesetzt und dann mit Epoxidharzkleber verklebt. Der Kleber dient auch als verbindendes Element mit angepasstem Brechungsindex. Die Verbindung kann durch Drehen einer Faser optimiert werden. Es werden Einfügedämpfungen von 0,1 bis 0,5 dB erreicht.
  • V-Nut: In ein metallisches, keramisches oder Kunststoffsubstrat gefräst.
  • Drei-Zylinder-Ausrichtung: Die Verbindung wird durch das Einführen der Faser in drei ausgerichtete Röhrchen hergestellt.
  • Kapillarrohr: Die Faser wird in ein Glasrohr oder eine Hülse mit kreisförmigen Löchern eingefügt, die 3 mm größer sind als der Durchmesser der Faser.
  • Quadratischer Typ: Die Faser wird in ein Rohr mit quadratischem Querschnitt eingeführt, oft in einem Winkel, um sie in Richtung einer Ecke zu drücken.
• Gel-gefüllte Spleiße: Diese bestehen aus einem horizontal geteilten Rohr, dessen unterer Teil eine V-förmige Basis und der obere Teil eine flache Abdeckung hat. Der Zwischenraum ist mit einem Gel-Adapter gefüllt. Die Faserenden werden eingesetzt (feste Länge) und dann durch Druck zusammengefügt. Es gibt auch Versionen für planare Mehrfaserverbindungen.