Ein Lichtwellenleiter ist eine flexible transparente Faser aus Glas (Silizium) oder Kunststoff, ein bisschen dicker als ein Menschenhaar. Lichtwellenleiter werden meistens als Lichtübertragungsmedium verwendet und oft in Telekommunikation angewandt.
Lichtwellenleiter werden als optische Kommunikationskanäle wegen ihrer großen Bandbreite, Datenübertragungsraten (Gbps) und hohen Übertragungskapazitäten verwendet. Tausenden von Informationskanälen können in einem Lichtwellenleiter zusammen multiplext werden. Überdies sind Lichtwellenleiter durch eine sehr niedrige Dämpfung von etwa 0,2 dB/km und einen ziemlich niedrigen finanziellen Aufwand charakterisiert. Diese Charakteristiken sind der Grund eines hohen Interesses im Bereich der optischen Kommunikation über große Entfernungen.
Auf dem Bild 13 ist die Struktur eines Lichtwellenleiters angezeigt. Die dünne Glasmitte der Faser, durch die sich das Licht ausbreitet, wird Kern genannt. Das äußere optische Material um den Kern, das das Licht zurück in den Kern reflektiert, wird Mantel genannt. Die äußere Schutzbeschichtung oder Hülle schützt die optische Oberfläche.
Ein Lichtwellenleiter hat eine mittlere Schicht (Kern), die einen höheren Brechungsindex n1 als Brechungsindex n2 der umhüllenden Schicht (Mantel) hat. Falls das Licht auf die Schnittstelle unter einem Winkel auffällt, der größer als der kritischer Winkel φ1c ist (siehe Abschnitt 2.3), wird es durch das zweite Medium nicht durchgehen und wird zurück in den Kern wegen TIR-Effektes reflektiert.
Ein Lichtwellenleiter hat einen Kern aus reinem Si mit Brechungsindexen:
n = 5,57 für die Wellenlänge von 0,4 µm und n = 3,78 für die Wellenlänge von 0,7 µm.
Berechnen Sie die Zeit, die das Licht der beiden Wellenlängen zum Zurücklegen von 2 km dieses Lichtwellenleiters braucht.
Die Geschwindigkeit des Lichts von unterschiedlichen Wellenlängen im Kern wird sich wegen unterschiedlicher Werte der Brechungsindexe für diese Wellenlängen unterscheiden. Diese Geschwindigkeit wird wie folgt definiert: .
Im ersten Schritt müssen wir Geschwindigkeiten für jede Wellenlänge berechnen:
Weiter berechnen wir die Zeit des Zurücklegens der optischen Strecke von zwei Kilometern:
Multimodefasern sind Fasern, die mehr als eine Mode der optischen Strahlung für eine gewisse Wellenlänge übertragen können. Einige Fasern haben einen sehr kleinen Durchmesser des Kerns und können nur eine Mode übertragen - dann handelt es sich um eine Monomodefaser, in der das Signal geradlinig in der Mitte des Kern geführt wird. Um die Welle durch den Wellenleiter zu übertragen, muss die konstruktive Interferenz verwendet werden. Dann interferieren alle Strahlen miteinander. Nur einige Winkel sind zulässig. Jeder zulässige Winkel stellt eine Mode der optischen Strahlung dar.
Der maximale Akzeptanzwinkel einer Faser definiert den Kegel, der das in die Faser eingehende Licht bestimmt. Das Licht wird sich in der Faser in verschiedenen Moden ausbreiten. Eine Hälfte des Winkels dieses Kegels ist der Akzeptanzwinkel Φmax, der nur von den Brechungsindexen abgeleitet wird. Der Parameter NA (numerische Apertur) der Faser ist von der folgenden Gleichung definiert:
wo n Brechungsindex ist, in dem sich das Licht ausbreitet, bevor es in den Lichtwellenleiter eingeht.
Die Anzahl der Moden der optischen Strahlung M hängt von den Parametern des Lichtwellenleiters wie folgt ab:
, wobei V die normierte Frequenz oder die V-Nummer ist, die durch die folgende Gleichung definiert ist:
, wobei 2a der Kerndurchmesser ist.
Falls V < 2,495, breitet sich im Lichtwellenleiter nur eine grundlegende Mode (Monomodefaser, engl. single-mode fibre) aus. Die Werte V > 2,495 charakterisieren Multimodefasern.
Die größten Übertragungsverluste im Lichtwellenleiter sind mit Absorption und Streuung verbunden. Die Rayleigh-Streuung wegen mikroskopischer Unregelmäßigkeiten im Lichtwellenleiter ist eine intrinsische Quelle der Verluste. Die Absorption wird durch Anwesenheit von Unreinheiten im Material des Lichtwellenleiters verursacht. In Lichtwellenleitern aus Silizium (SiO2) gibt es drei grundlegende Dämpfungsspitzen wegen Absorption, die von OH--Ionen in der Wellenlänge von 1050 nm, 1250 nm und 1380 nm verursacht wird.
Eine andere Quelle der Verluste ist die Biegung des Lichtwellenleiters. Ein Teil der Strahlung wird dort verloren, wo der Lichtwellenleiter gebogen ist. Die Höhe des Verlustes hängt von dem Biegeradius ab. Falls der Biegeradius ähnlich wie der Durchmesser D des Lichtwellenleiters einschließlich des Mantels ist, handelt es sich um Mikrobiegung, wobei Biegungen mit einem Biegeradius höher als D Makrobiegung genannt werden. Typischerweise entstehen Makrobiegungen, wenn ein Lichtwellenleiter bei der Installation der Faserverbindung gebogen wird, wie zum Beispiel beim Krümmen der Fasern um die Ecke. Im Gegenteil dazu werden Mikrobiegungen durch Herstellungsfehler verursacht, die zu Veränderungen der Geometrie des Lichtwellenleiters auf kleine Entfernungen führen können.
Typen von Lichtwellenleitern |
Charakteristik |
Kunststoffleiter |
Verluste von etwa 102 dB/km Sehr flexibel, billig, leicht |
Weitere Glasfasern |
Materialien: Chalkogenide, Fluoroaluminate In Kommunikation auf lange Wellenlängen anwendbar |
Silizium (SiO2) |
Sie können extrem rein sein und danach dotiert werden, um die erwünschte Trägerkonzentration zu erzielen. Niedrige Verluste und Dispersion bei λ = 1,55 μm |
Zwei Fasern können kombiniert werden, falls sie eines kompatiblen Typs sind. Die Fasern müssen genau miteinander ausgerichtet sein, passende NA haben und die Enden der Fasern müssen in nächster Nähe sein.
Vorteile |
Nachteile |
Von der elektromagnetischen Interferenz nicht betroffen. |
Hohe Installationskosten. |
Niedrigere Dämpfung als bei Koaxialkabeln und Kabeln mit verdrillten Adernpaaren. Sender mit einer niedrigeren Leistung können verwendet werden. |
Punkt-zu-Punkt-Kommunikationssysteme. |
Kein Schutz für Erdung und Spannung erforderlich. |
Verbindung und Spleißen der Fasern ist nicht einfach. Zufügen von weiteren Knoten ist problematisch. |
Hohe Sicherheit des Signals, weil keine Energie ausgestrahlt wird, die von einer Antenne oder Detektor erkannt werden kann. |
Zerbrechlicher als Koaxialkabel. |
Hohe Bandbreite. |
Teure Reparaturen und Wartung. |
Photonische Kristalle sind künstliche mehrdimensionale periodische Strukturen, wobei die Entfernung zwischen den periodischen Wiederholungen in der Größenordnung der optischen Wellenlängen ist. Diese Materialien haben eine gewisse Struktur, um eine periodische Modulation des Brechungsindexes zu haben.
Man kann auch Lichtwellenleiter mittels photonischer Kristalle herstellen. In diesen Leitern sind sowohl der Kern als auch der Mantel aus demselben Material geschaffen, üblicherweise aus Silizium. Ein der Bereiche (Kern oder Mantel) hat Luftlöcher und der andere ist aus einem Feststoff. Die Anwesenheit der Luftlöcher in einem Bereich, z. B. Mantel, führt zu einem effizienten Brechungsindex, der kleiner als der Index im festen Kern ist.
Mittels photonischer Kristalle kann auch die spontane Emission gedämpft werden.