Glasfaser: Die Grundlagen verstehen

Nichts hat die Welt der Kommunikation so sehr verändert wie die Entwicklung und Implementierung von Glasfasern. Dieser Artikel enthält die Grundprinzipien, die für die Arbeit mit dieser Technologie erforderlich sind.
 

Technik- und Marketingmitarbeiter

Optische Fasern bestehen entweder aus Glas oder Kunststoff. Die meisten haben ungefähr den Durchmesser eines menschlichen Haares und können viele Kilometer lang sein. Licht wird entlang der Mitte der Faser von einem Ende zum anderen übertragen, und es kann ein Signal eingeprägt werden. Faseroptische Systeme sind metallischen Leitern in vielen Anwendungen überlegen. Ihr größter Vorteil ist die Bandbreite. Aufgrund der Wellenlänge des Lichts ist es möglich, ein Signal zu übertragen, das wesentlich mehr Informationen enthält, als dies mit einem metallischen Leiter – sogar einem Koaxialleiter – möglich ist. Weitere Vorteile sind:

• Elektrische Isolierung – Glasfasern benötigen keinen Erdungsanschluss. Sowohl der Sender als auch der Empfänger sind voneinander isoliert und daher frei von Erdschleifenproblemen. Außerdem besteht keine Gefahr von Funken oder Stromschlägen.

• Freiheit von EMI – Glasfasern sind immun gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und geben selbst keine Strahlung ab, die andere Störungen verursachen könnte.

• Geringer Leistungsverlust – Dies ermöglicht längere Kabelwege und weniger Repeater-Verstärker.

• Leichter und kleiner – Fasern wiegen weniger und benötigen weniger Platz als Metallleiter mit gleicher Signalübertragungskapazität.

Kupferdraht ist etwa 13-mal schwerer. Glasfaser lässt sich außerdem einfacher installieren und benötigt weniger Kanalraum.

Anwendungen

Zu den Hauptanwendungsgebieten optischer Fasern gehören:

• Kommunikation – Sprach-, Daten- und Videoübertragung sind die häufigsten Verwendungszwecke von Glasfasern. Dazu gehören:

– Telekommunikation
– Lokale Netzwerke (LANs)
– Industrielle Steuerungssysteme
– Avioniksysteme
– Militärische Führungs-, Kontroll- und Kommunikationssysteme

• Sensorik – Glasfasern können verwendet werden, um Licht von einer entfernten Quelle an einen Detektor zu leiten, um Druck-, Temperatur- oder Spektralinformationen zu erhalten. Die Faser kann auch direkt als Wandler zur Messung verschiedener Umwelteinflüsse wie Dehnung, Druck, elektrischer Widerstand und pH-Wert verwendet werden. Umweltveränderungen beeinflussen die Lichtintensität, Phase und/oder Polarisation auf eine Weise, die am anderen Ende der Faser erkannt werden kann.

• Leistungsabgabe – Optische Fasern können eine bemerkenswert hohe Leistung für Aufgaben wie Laserschneiden, Schweißen, Markieren und Bohren liefern.

• Beleuchtung – Ein zusammengebündeltes Faserbündel mit einer Lichtquelle an einem Ende kann schwer zugängliche Bereiche beleuchten – beispielsweise im Inneren des menschlichen Körpers, in Verbindung mit einem Endoskop. Sie können auch als Ausstellungsschild oder einfach als dekorative Beleuchtung verwendet werden.

 

Abbildung 1. Eine optische Faser besteht aus einem Kern, einem Mantel und einer Beschichtung.

 

Konstruktion

Eine optische Faser besteht aus drei konzentrischen Grundelementen: dem Kern, dem Mantel und der Außenbeschichtung (Abbildung 1).

Der Kern besteht in der Regel aus Glas oder Kunststoff, manchmal kommen jedoch auch andere Materialien zum Einsatz, je nach gewünschtem Transmissionsspektrum.

Der Kern ist der lichtdurchlässige Teil der Faser. Der Mantel besteht normalerweise aus dem gleichen Material wie der Kern, jedoch mit einem etwas niedrigeren Brechungsindex (normalerweise etwa 1 % niedriger). Dieser Indexunterschied führt dazu, dass an der Indexgrenze entlang der Länge der Faser eine Totalreflexion auftritt, sodass das Licht durch die Faser geleitet wird und nicht durch die Seitenwände entweicht.

 

 

Abbildung 2.Ein Lichtstrahl, der von einem Material zu einem anderen Material mit einem anderen Brechungsindex gelangt, wird an der Grenzfläche gebogen oder gebrochen.

Die Beschichtung besteht normalerweise aus einer oder mehreren Schichten eines Kunststoffmaterials, um die Faser vor der physikalischen Umgebung zu schützen. Manchmal werden der Beschichtung zum weiteren physischen Schutz Metallhüllen hinzugefügt.

Optische Fasern werden üblicherweise durch ihre Größe spezifiziert, die als Außendurchmesser des Kerns, der Ummantelung und der Beschichtung angegeben wird. Beispielsweise würde sich ein 62,5/125/250 auf eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 62,5-µm, einem Manteldurchmesser von 125-µm und einem Durchmesser von 0,{{8} beziehen. } mm Durchmesser Außenbeschichtung.

 

 

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Prinzipien

Optische Materialien werden durch ihren Brechungsindex, der als n bezeichnet wird, charakterisiert. Der Brechungsindex eines Materials ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Material. Wenn ein Lichtstrahl von einem Material zu einem anderen mit einem anderen Brechungsindex gelangt, wird der Strahl an der Grenzfläche gebogen (oder gebrochen) (Abbildung 2).

Die Brechung wird durch das Snelliussche Gesetz beschrieben:

Won_IUndn_Rsind die Brechungsindizes der Materialien, durch die der Strahl gebrochen wird undIUndRsind die Einfalls- und Brechungswinkel des Strahls. Wenn der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel für die Grenzfläche ist (typischerweise etwa 82 Grad für optische Fasern), wird das Licht durch einen Prozess, der als Totalreflexion bekannt ist, verlustfrei in das einfallende Medium zurückreflektiert (Abbildung 3).

Abbildung 3.Durch die Totalreflexion bleibt das Licht im Kern der Faser.

 

Sehen Sie sich eine Videodefinition der Totalreflexion an.

Modi

Wenn Licht durch eine Faser geleitet wird (wie Mikrowellen durch einen Wellenleiter), treten an jeder reflektierenden Grenze Phasenverschiebungen auf. Es gibt eine endliche diskrete Anzahl von Pfaden entlang der optischen Faser (sogenannte Moden), die konstruktive (gleichphasige und daher additive) Phasenverschiebungen erzeugen, die die Übertragung verstärken. Da jede Mode in einem anderen Winkel zur Faserachse auftritt, während sich der Strahl entlang der Länge bewegt, durchläuft jede Mode eine unterschiedliche Länge durch die Faser vom Eingang bis zum Ausgang. Nur ein Modus, der Modus nullter Ordnung, bewegt sich ohne Reflexionen an den Seitenwänden über die gesamte Länge der Faser. Dies wird als Singlemode-Faser bezeichnet. Die tatsächliche Anzahl der Moden, die sich in einer bestimmten optischen Faser ausbreiten können, wird durch die Wellenlänge des Lichts sowie den Durchmesser und den Brechungsindex des Faserkerns bestimmt.
 

Es gibt mehrere Ursachen für die Dämpfung in einer Glasfaser:

 

• Rayleigh-Streuung – Schwankungen im Brechungsindex des Kernmaterials im mikroskopischen Maßstab können zu erheblicher Streuung des Strahls führen, was zu erheblichen Verlusten an optischer Leistung führt. Rayleigh-Streuung ist wellenlängenabhängig und bei längeren Wellenlängen weniger signifikant. Dies ist der wichtigste Verlustmechanismus in modernen optischen Fasern und macht im Allgemeinen bis zu 90 % aller auftretenden Verluste aus.

 

• Absorption – Aktuelle Herstellungsverfahren haben die durch Verunreinigungen (vor allem Wasser in der Faser) verursachte Absorption auf ein sehr niedriges Niveau reduziert. Innerhalb des Übertragungsbandpasses der Faser sind Absorptionsverluste unbedeutend.

• Biegung – Herstellungsmethoden können zu winzigen Biegungen in der Fasergeometrie führen. Manchmal sind diese Biegungen so groß, dass das Licht im Kern die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel unter dem kritischen Winkel trifft, so dass Licht in das Mantelmaterial verloren geht. Dies kann auch auftreten, wenn die Faser in einem engen Radius gebogen wird (weniger als beispielsweise einige Zentimeter). Die Biegeempfindlichkeit wird normalerweise als dB/km-Verlust für einen bestimmten Biegeradius und eine bestimmte Wellenlänge ausgedrückt.

 

 

Abbildung 4.Die numerische Apertur hängt vom Winkel ab, in dem die Strahlen in die Faser eintreten, und vom Durchmesser des Faserkerns.

 

Faserarten

Grundsätzlich gibt es drei Arten von Glasfasern: Singlemode, Multimode-Graded-Index und Multimode-Stufenindex. Sie zeichnen sich durch die Art und Weise aus, wie das Licht durch die Faser wandert, und hängen sowohl von der Wellenlänge des Lichts als auch von der mechanischen Geometrie der Faser ab. Beispiele dafür, wie sie Licht ausbreiten, sind in Abbildung 5 dargestellt.

 

 

Unser Unternehmen ist auf die Herstellung von Kunststoff-Lichtwellenleitern/-kabeln und Glasfaser-Patchkabeln aller Art spezialisiert. Bei Interesse können Sie sich gerne an mich wenden.