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Ein Bündel optischer Fasern

EIN toslink optisches Audiokabel.

EIN Glasfaser ist eine Faser aus Glas oder Plastik, Das Licht führen kann. Dadurch ist es möglich, Signale schnell und zuverlässig über lange Distanzen zu transportieren.

Optische Fasern werden unter anderem in der optischen Kommunikation weit verbreitet verwendet und ermöglichen den Datenaustausch über größere Entfernungen und mit höherer Geschwindigkeit. Signale übertragen sich schneller und mit weniger Interferenzen über eine Glasfaser als über eine herkömmliche Kupferkabel. Außerdem sind Glasfasern weniger empfindlich gegenüber elektromagnetische Störung. Darüber hinaus werden optische Fasern zur Beleuchtung verwendet oder zu Bündeln verpackt, damit darauf Bilder zu sehen sind.

Unter anderem Glasfaser weit verbreitet als Glasfaser.

Geschichte

Das Prinzip der Glasfaser ist ziemlich alt. Licht durchleiten Lichtbrechung wurde bereits in den 1940er Jahren demonstriert von Daniel Colladon und Jacques Babinet.^[1] Praktische Anwendungen davon gab es bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Inklusive Radiopionier Clarence Hansell und Fernsehpionier John Logie Baird die Möglichkeiten von Glasfasern erforscht. Zunächst galt die Technik als besonders geeignet für medizinische Zwecke. 1952 Physiker, Narinder Singh Kapany Experimente, die zur Erfindung der ersten optischen Faser führten. Optische Fasern, wie wir sie heute kennen, kamen erst in den 1950er Jahren auf.^[1]

Jun-ichi Nishizawa, ein japanischer Wissenschaftler an der Universität Tohoku, war der erste, der auf die Idee kam, Glasfasern für Kommunikationszwecke zu verwenden.^[2] Nishizawa hat auch andere Technologien entwickelt, die zur Entwicklung der optischen Kommunikation beigetragen haben.^[3] 1964 entwickelte er beispielsweise die Gradientenindex-Glasfaser, die es ermöglichte, Licht von einem Halbleiterlaser mit minimalem Signalverlust über große Entfernungen zu übertragen.^[4]

1965 waren Charles Kao und George A. Hockham von der britischen Firma Standardtelefone und -kabel (STC) der erste, der die Idee hatte, den Verlust der Signalintensität in Glasfasern auf weniger als 20 zu reduzieren Dezibel pro Kilometer (dB/km). Als Ergebnis wurden optische Fasern als Kommunikationsmittel immer praktischer.^[5] Laut Kao und Hockham war der Verlust der Signalintensität hauptsächlich auf die Qualität der damals verwendeten Fasern zurückzuführen und nicht auf Effekte wie Lichtstreuung. Im Jahr 2009 gab diese Entdeckung Kao den Nobelpreis für Physik auf.^[6]

Optische Fasern mit einem Signalverlust von weniger als 20 dB/km wurden erstmals 1970 von Forschern nachgewiesen Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz, und Frank Zimar. Sie stellten eine Faser mit einem Verlust von 17 dB/km unter Verwendung einer Quarzglasfaser her Spenden mit Titan. Einige Jahre später stellten sie eine Faser mit nur 4 dB/km Verlust her.

1991 stieg die Forschung zu photonischer Kristall zur Entwicklung der ersten photonischen Kristallfaser.^[7] Die ersten dieser Fasern kamen im Jahr 2000 auf den Markt.^[8]

Operation

Abbildung 3. Superkontinuum in einer nanostrukturierten Faser.

Abbildung 4. Laser auf Glasfaserbasis.

Die Lichtleitung wird durch den Zusammenbau der Faser aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, so dass in der Faser zwischen Kern und Mantel eine Spiegelfläche entsteht, die das Licht im Inneren hält. Da dieser Spiegel nur in bestimmten Winkeln vollständig reflektiert, muss das einfallende Licht in bestimmten Winkeln sein Anforderungen erfüllen.

Stufenindexfasern

Die älteste Technik ist die Verwendung von zwei Materialschichten (Kern und Mantel) mit jeweils eigenem Brechungsindex, den sogenannten Stufenindexfasern. Es Licht was in der Faser verbleibt, reflektiert diese Grenzschicht zwischen Kern und Mantel. Bei dicken Fasern hat dieses Verfahren den Nachteil, dass unterschiedliche „Strahlen“ (Moden) unterschiedliche Weglängen durchlaufen und somit unterschiedliche Durchlaufzeiten haben. Als Ergebnis wird ein Lichtimpuls nach der Übertragung durch die Faser zeitlich verteilt. Dieser Effekt wird Multimode genanntDispersion. Wenn der Faserkern so schmal gemacht wird, dass nur eine Mode in die Faser passt, entsteht die Singlemode- (oder Monomode-) Stufenindexfaser mit weniger Multimode-Dispersion, aber höherer Dämpfung.

Gradientenindexfasern

Eine weitere Lösung für die Multimode-Dispersion besteht in der Inside-Out allmählich Änderung des Brechungsindex. Als Ergebnis ändert sich die Lichtgeschwindigkeit allmählich mit der Entfernung von der Mitte der Faser. Nach außen gerichtete Strahlen werden daher in Richtung des Kerns zurückgebogen. Es ist möglich, den Verlauf des Brechungsindex so zu wählen, dass gleichzeitig die Moden mit größeren Weglängen noch in der Faser verbleiben. Dadurch kann die Multimode-Dispersion bis zu einem gewissen Grad und mit weniger Dämpfung als bei einer Monomode-Faser aufgehoben werden.

Spezialfasern

Optische Fasern haben in Kombination mit einer Reihe von Techniken im Laufe der Zeit ein breites Anwendungsgebiet erobert. Die bekanntesten dieser Techniken sind: Audio und Internet.

Strukturen

Um bestimmte Effekte zu erzielen, können dem Faseraufbau Strukturen hinzugefügt werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Faser, bei der mechanische Spannungen Doppelbrechung im Kern, Polarisation erhalten.

spenden

Durch Zugabe bestimmter Stoffe (z. Erbium) zu einer Faser (Spenden) ist es möglich, nützliche nichtlineare Effekte in Fasern einzuführen. In einem nichtlinearen System ist die Summe der Antworten auf zwei Anregungen nicht gleich der Antwort auf die Summe der Anregungen, und in einem solchen System können sich Lichtpulse gegenseitig beeinflussen. Dadurch kann beispielsweise eine Faser als Verstärker verwendet werden.

Nanostruktur

Durch das Aufbringen einer Nanostruktur im Permittivität der oben erwähnte photonische Kristall wird aus dem Medium gebildet. Hier kann Licht mit noch mehr Nichtlinearität verarbeitet werden, wie im Superkontinuum, das durch Spektrumsverbreiterung in Abbildung 3 entsteht.

Sonderanwendungen

Diese Techniken haben eine Reihe von faserbasierten optischen Werkzeugen hervorgebracht. Zum Beispiel kann man:

• Übertragung von Energie von einem "Power-Laser" auf Signale (Solitonen) in der Faser, wodurch eine Verstärkung bewirkt wird;
• Verbreiterung und Verengung von Pulsen (Dispersionskompensationsfaser);
• Verwendung von Faser als Laser-;
• Aus einer Mode ein Spektrum machen.

Externe Links

• Der Glasfaserverband
• FOA - Farbcode des Steckers
• Lennie Lightwaves Leitfaden zur Faseroptik
• Fasern, Artikel in Enzyklopädie der Laserphysik und -technologie von RP Photonics
• Wie werden Glasfasern hergestellt? Im Video

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