Was sind optische Fasern?
optische Fasern haardünne Glas- oder Kunststoffstränge, die Licht über große Entfernungen übertragen, ähnlich wie Kabel Strom leiten. Sie finden breite Anwendung in der Telekommunikation, der Datenübertragung, Laserstrahl , der Sensorik, der Medizin und in vielen weiteren Bereichen.
Glasfasern das moderne Leben maßgeblich geprägt. Tatsächlich wurden die Worte, die Sie gerade lesen, Glasfasern ihrem Weg vom Webserver zu Ihrem Gerät zumindest teilweise mit ziemlicher Sicherheit über Glasfasern übertragen.
Über die Telekommunikation hinaus Glasfasern auch in vielen anderen Bereichen Anwendung, darunter Laserstrahl in chirurgischen Systemen und in industriellen Hochleistungslasersystemen. Außerdem sind sie Bestandteile von Navigationssystemen und Sensorsystemen für Gebäude, Brücken und Kraftwerke. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Spezialanwendungen.
Funktionsprinzipien
Ein Glasfaserkabel funktioniert im Grunde genommen genauso wie eine Wasserleitung. Das Licht tritt an einem Ende ein und am anderen Ende wieder aus. Und genau wie bei einer Wasserleitung kann der Weg, den die Faser zurücklegt, lang sein – buchstäblich mehrere Kilometer – und durch Biegungen und Kurven verlaufen. Diese Eigenschaft bietet enorme Flexibilität (im wahrsten Sinne des Wortes!) hinsichtlich der Art und Weise, wie Fasern in einem System eingesetzt werden können. Zusammen mit der Fähigkeit, Licht auch über große Entfernungen mit sehr geringem Verlust zu übertragen, erklärt dies die weitverbreitete Nutzung und den kommerziellen Erfolg von Glasfasern.
Das Funktionsprinzip einer Glasfaser ist eigentlich recht einfach. Die einfachste Glasfaser besteht aus einem Kern mit rundem Querschnitt, der von einem zweiten Material umgeben ist, dem sogenannten Mantel, der einen niedrigeren Brechungsindex aufweist.
Licht, das unter dem richtigen Winkel in ein Ende der Faser eingeleitet wird, wandert durch den Kern und bleibt darin eingeschlossen, bis es am anderen Ende austritt. Dies geschieht aufgrund der Totalreflexion. Diese tritt auf, wenn Licht, das sich in einem Material ausbreitet, auf eine Grenzfläche zu einem zweiten Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex trifft. Trifft das Licht unter einem ausreichend flachen Winkel auf die Grenzfläche, wird es vollständig reflektiert – kein Licht entweicht. Jeder, der unter Wasser zur Oberfläche hinaufgeschaut hat, erlebt dasselbe Phänomen. Man kann direkt über sich sehen, aber wenn man versucht, die Oberfläche in Winkeln zu betrachten, die weit genug von der Senkrechten entfernt sind, kann man nicht nach draußen sehen.
Obwohl das Konzept an sich einfach ist, sind Fasern in der Praxis sowohl hinsichtlich ihres Designs als auch ihrer Herstellung tatsächlich recht komplex. Dies ist notwendig, um die verschiedenen Leistungs- und Kostenziele für spezifische Anwendungen zu erreichen.
Fasertypen
Glasfasern sich sowohl nach den Märkten, für die sie bestimmt sind, als auch nach verschiedenen Leistungs- oder Konstruktionsmerkmalen klassifizieren. Die einfachste Einteilung erfolgt nach Anwendungsbereich; dabei wird in der Regel zwischen Telekommunikation/Datenkommunikation und allen anderen Bereichen unterschieden. Die letztgenannte Gruppe wird oft als „Spezialfasern“ bezeichnet.
Was Design und Funktionalität angeht, gibt es mehrere verschiedene Grundtypen von Fasern sowie unzählige Designvarianten innerhalb dieser Typen, die im Folgenden beschrieben werden. Oftmals kann eine Faser zu mehreren dieser Gruppen gehören. So kann beispielsweise eine Einmodenfaser sowohl polarisationserhaltend als auch ultrafast sein.
Fasertyp |
Eigenschaften und Verwendung |
Einmodig |
Single-Mode-Fasern einen Kerndurchmesser so klein ist, dass sich nur die niedrigste (und physikalisch kleinste) Transversalmoden ausbreiten kann. Dies wirkt sich in mehrfacher Hinsicht auf die Leistung aus. Bei Telekommunikationsanwendungen verringert dies die Faserdämpfung und -dispersion. Aus diesem Grund ist die Single-Mode-Faser der am häufigsten verwendete Fasertyp für die Fernkommunikation. Der Ausgang einer Singlemode-Faser kann auf die kleinstmögliche Spotgröße fokussiert werden. Dies macht sie für viele wissenschaftliche und industrielle Laseranwendungen nützlich, insbesondere beim Bau von Faserlasern. |
Multimodus |
Diese weisen Kerndurchmesser auf, die groß genug sind, um die Ausbreitung von Transversalmoden höherer Ordnung durch die Faser zu ermöglichen. Dadurch können sie in der Regel mehr optische Leistung übertragen, weisen jedoch auch eine höhere Dispersion auf. Zudem sind sie in der Regel kostengünstiger in der Herstellung als Single-Mode-Fasern. Diese Eigenschaften zusammen machen sie zu einer beliebten Wahl für Datenübertragungsanwendungen über kurze Entfernungen. Sie werden zudem häufig für die Strahlführung bei Hochleistungslasern in der Materialbearbeitung, in der Chirurgie und in spektroskopischen Anwendungen eingesetzt. |
Polarisationserhaltend |
Normalerweise führt die Doppelbrechung in einer optischen Faser dazu, dass sich die Polarisierung des Eingangssignals auf dem Weg durch das Kabel verändert. Polarisationserhaltende Fasern sind für Anwendungen vorgesehen, bei denen dies unerwünscht ist. Dazu gehören einige High-End-Netzwerkanwendungen, Laserverstärker, IFOGs und viele Sensorsysteme. Polarisationserhaltende Fasern sind nicht darauf ausgelegt, die Doppelbrechung zu beseitigen. Vielmehr handelt es sich um Single-Mode-Fasern , die Single-Mode-Fasern , dass sie diese auf ganz bestimmte Weise maximieren. Das Ergebnis ist, dass sich die Leistung während der Ausbreitung nicht von einem Polarisationszustand in den anderen überträgt; dadurch bleibt der Polarisationszustand des Eingangssignals erhalten. |
Sensorfasern |
Bei Sensorfasern handelt es sich eigentlich eher um eine anwendungsbezogene als um eine konstruktionsbezogene Kategorie, obwohl diese meist einen Kern aus reinem Siliziumdioxid aufweisen. Häufig kommen bei Sensorfasern Materialien und Konstruktionen zum Einsatz, die eine hohe thermische, chemische und Wasserstoffbeständigkeit aufweisen. Die meisten Fasersensoren für Temperatur, Druck, Durchfluss, Akustik und Dehnung basieren auf Signalen, die aus der Brillouin- oder Rayleigh-Streuung entlang der Faserlänge oder aus an bestimmten Stellen eingebetteten Faser-Bragg-Gitter FBGs) gewonnen werden. |
Laser und Verstärker |
Es handelt sich hierbei um „aktive Fasern“, die die Grundlage für Faserlaser und verschiedene andere Arten von Lichtverstärkern bilden. Sie enthalten ein Dotierungsmittel, um entlang der Faserlänge eine Laserwirkung (Lichtverstärkung) zu erzeugen. In der Regel wird Pumplicht in den Mantel eingekoppelt, und diese Energie wird genutzt, um das am Faserende eingeleitete Startlicht zu verstärken. Häufig werden sie zusammen mit einer passiven Strahlführungsfaser geliefert, die speziell auf die aktive Faser abgestimmt ist. Die passive Faser bewahrt die optischen Eigenschaften des Lichts aus der aktiven Faser und bietet eine maximale Übertragungsleistung sowie eine hohe Belastbarkeit – oft bis weit in den Multi-kW-Bereich hinein. |
Ultrafast |
Dazu gehören sowohl aktive als auch passive Fasern, die speziell für den Einsatz mit kurzen Pulsdauern und hohen Spitzenleistungen entwickelt wurden. Zu den Anwendungsbereichen zählen ultrafast , die Verstärkung chirpter Pulse, Verstärker mit schmaler Linienbreite und die Frequenzverdopplung. Je nach spezifischem Einsatzzweck gibt es viele verschiedene Bauformen für ultrafast . Allen gemeinsam ist jedoch, dass sie eine strenge Kontrolle von Polarisation und Dispersion, eine hohe Strahlqualität sowie eine geringe Photodunkelung erfordern. |
Wie werden Glasfasern ?
Ein einzelnes Glasfaserkabel, das mehrere Kilometer lang sein kann, beginnt als Glasrohr von nur ein oder zwei Metern Länge. Durch einen chemischen Prozess wird das Material am Innendurchmesser des Rohrs umgewandelt und sein Brechungsindex erhöht. Anschließend wird das Rohr zu einem festen Zylinder gepresst, und aus der Mitte dieses Stabs wird ein Stück herausgeschnitten, um eine sogenannte Vorform herzustellen.
Der Vorformling wird in einen Ziehturm eingesetzt. Er wird erhitzt, bis er weich wird, und dann an einem Ende gezogen, um einen dünnen Faden zu bilden. Der Faden wird kontinuierlich über Rollen gewickelt, um das Kabel herzustellen. Während dieses Vorgangs wird eine Polymerbeschichtung auf die Außenseite der Faser aufgetragen. Dadurch wird die fertige Faser widerstandsfähiger und leichter zu handhaben.
Manche optische Fasern nicht kreissymmetrisch. Ein Beispiel hierfür sind polarisationserhaltende Fasern vom Typ „Panda“. Zur Herstellung der Vorformen für diese Art von Fasern wird ein komplexerer Arbeitsablauf angewendet.
Coherent ein umfangreiches und vielfältiges Sortiment an Spezialfasern Coherent , darunter Laser- und Verstärkerfasern, Laserstrahl , für medizinische Anwendungen optimierte Fasern, Fasern für Sensorik-Anwendungen und vieles mehr. Wir können Fasern an spezifische Kundenanforderungen anpassen und sie in Faserbausteine integrieren, einschließlich Steckverbindern, Optiken und mehr.