Optische Fasern
Was sind optische Fasern?
Optische Fasern sind haardünne Stränge aus Glas oder Kunststoff, die Licht über Entfernungen übertragen, so wie Drähte Strom übertragen. Sie werden häufig in der Telekommunikation, der Datenkommunikation, bei der Übertragung von Laserstrahlen, in der Sensorik, bei medizinischen Anwendungen und vielem mehr eingesetzt.
Die Glasfasertechnik hat einen großen Einfluss auf das moderne Leben gehabt. Tatsächlich wurden die Worte, die Sie gerade lesen, mit ziemlicher Sicherheit zumindest auf einem Teil ihres Weges von einem Webserver zu Ihrem Gerät über Glasfaserkabel übertragen.
Neben der Telekommunikation werden Glasfasern auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt, wie z. B. für die Übertragung von Laserstrahlen in chirurgischen Systemen und industriellen Hochleistungslasersystemen. Sie sind auch Bestandteil von Navigationssystemen und Sensorsystemen für Gebäude, Brücken und Kraftwerke. Es gibt auch zahlreiche andere spezialisierte Anwendungen.
Funktionsprinzipien
Ein Glasfaserkabel funktioniert ganz ähnlich wie eine Wasserleitung. Das Licht geht an einem Ende hinein und kommt am anderen wieder heraus. Und wie bei einer Wasserleitung kann der Weg, den die Faser nimmt, lang sein – buchstäblich mehrere Kilometer – und durch Biegungen und Kurven führen. Diese Eigenschaft bietet eine enorme Flexibilität (im wahrsten Sinne des Wortes!) in Bezug auf die Art und Weise, wie Fasern in einem System implementiert werden können. Zusammen mit der Fähigkeit, Licht auch über große Entfernungen mit sehr geringem Verlust zu übertragen, ist dies der Grund für die weite Verbreitung und den kommerziellen Erfolg von Glasfasern.
Der zugrunde liegende Funktionsmechanismus einer optischen Faser ist eigentlich recht einfach. Die grundlegendste optische Faser besteht aus einem Kern mit kreisförmigem Querschnitt, der von einem zweiten Material, dem Mantel, umgeben ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist.
Licht, das im richtigen Winkel in ein Ende der Faser eingeführt wird, durchdringt den Kern und bleibt darin enthalten, bis es am anderen Ende wieder austritt. Dies geschieht aufgrund der internen Totalreflexion. Dies geschieht, wenn Licht, das sich in einem Material bewegt, auf eine Grenzfläche zu einem zweiten Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex trifft. Wenn das Licht in einem ausreichend niedrigen Winkel auf die Oberfläche trifft, wird es vollständig reflektiert – kein Licht entweicht. Jeder, der schon einmal unter Wasser an die Oberfläche geschaut hat, erlebt das gleiche Phänomen. Sie können direkt über sich sehen, aber wenn Sie versuchen, die Oberfläche in einem Winkel zu betrachten, der weit genug von der geraden Höhe entfernt ist, können Sie nicht hinaussehen.
Obwohl das Konzept einfach ist, sind die Fasern in der realen Welt sehr anspruchsvoll, sowohl in Bezug auf ihr Design als auch auf ihre Herstellung. Dies ist notwendig, um die verschiedenen Leistungs- und Kostenziele für bestimmte Anwendungen zu erreichen.
Fasertypen
Glasfasern können nach den Märkten, die sie bedienen, sowie nach verschiedenen Leistungs- oder Konstruktionsmerkmalen klassifiziert werden. Die einfachste Gruppierung ist die nach Anwendungen, und die gliedert sich in der Regel in Telekommunikation/Datenkommunikation und dann alles andere. Diese letzte Gruppe wird oft als „Spezialfasern” bezeichnet.
In Bezug auf Design und Funktionalität gibt es verschiedene Grundtypen von Fasern und unzählige Designvarianten innerhalb dieser Typen, die im Folgenden beschrieben werden. Oft kann eine Faser zu mehreren dieser Gruppen gehören. Eine Single-Mode-Faser kann zum Beispiel polarisationserhaltend und auch ultrafast sein.
Fasertyp |
Eigenschaften und Verwendung |
Single-Mode |
Single-Mode-Fasern haben einen Kerndurchmesser, der so klein ist, dass sich nur die niedrigste (und physikalisch kleinste) transversale Mode ausbreiten kann. Dies wirkt sich in mehrfacher Hinsicht auf die Leistung aus. Bei Telekommunikationsanwendungen reduziert es die Dämpfung und Dispersion der Fasern. Aus diesem Grund ist die Single-Mode-Faser der am weitesten verbreitete Typ für die Langstreckentelekommunikation. Der Ausgang einer Single-Mode-Faser kann auf die kleinstmögliche Spotgröße fokussiert werden. Das macht sie für viele wissenschaftliche und industrielle Laseranwendungen nützlich, insbesondere für den Bau von Faserlasern. |
Multi-Mode |
Diese haben einen Kerndurchmesser, der groß genug ist, um transversale Moden höherer Ordnung durch die Faser zu leiten. Dadurch können sie in der Regel mehr optische Leistung übertragen, aber sie leiden auch unter einer höheren Dispersion. Außerdem sind sie in der Regel kostengünstiger in der Herstellung als Single-Mode-Fasern. Diese Eigenschaften machen sie zu einer beliebten Lösung für Kurzstrecken-Datenübertragungsanwendungen. Sie werden auch häufig für die Strahlübertragung mit Lasern höherer Leistung in der Materialbearbeitung, der Chirurgie und für spektroskopische Anwendungen eingesetzt. |
Polarisationserhaltend |
Normalerweise wird durch die Doppelbrechung in einer Glasfaser die Eingangspolarisation auf dem Weg durch das Kabel verändert. Polarisationserhaltende Fasern sind für Anwendungen gedacht, bei denen dies nicht erwünscht ist. Dazu gehören einige High-End-Netzwerkanwendungen, Laserverstärker, IFOGs und viele Sensoriksysteme. Polarisationserhaltende Fasern sind nicht darauf ausgelegt, Doppelbrechung zu eliminieren. Stattdessen handelt es sich um Single-Mode-Fasern, die so konstruiert sind, dass sie die Leistung auf eine ganz bestimmte Weise maximieren. Das Ergebnis ist, dass die Leistung bei der Ausbreitung nicht von einem Polarisationszustand in den anderen übergeht. Dadurch bleibt der Eingangszustand der Polarisation erhalten. |
Sensorfasern |
Sensorfasern sind eigentlich eine Kategorie, die mehr auf der Anwendung als auf dem Design basiert, obwohl diese am häufigsten einen Kern aus reinem Siliziumdioxid verwenden. Außerdem werden für Sensorfasern üblicherweise Materialien und Konstruktionen verwendet, die ein hohes Maß an thermischer, chemischer und Wasserstoffbeständigkeit aufweisen. Die meisten Fasersensoren für Temperatur, Druck, Durchfluss, Akustik und Dehnung basieren auf Signalen, die von der Brillouin- oder Rayleigh-Streuung entlang der Faser oder von an bestimmten Stellen eingebetteten Faser-Bragg-Gittern (FBGs) abgeleitet werden. |
Laser und Verstärker |
Dies sind „aktive Fasern”, die die Grundlage für Faserlaser und verschiedene andere Arten von Lichtverstärkern bilden. Sie enthalten einen Dotierstoff, der eine Laserwirkung (Lichtverstärkung) entlang der Faserlänge erzeugt. Normalerweise wird Pumplicht in den Mantel eingekoppelt, und diese Energie wird zur Verstärkung des in das Faserende eingeleiteten Seed-Lichts verwendet. Es ist üblich, dass sie mit einer passiven Strahlführungsfaser hergestellt werden, die speziell auf die aktive Faser abgestimmt ist. Die passive Faser behält die optischen Eigenschaften des Lichts aus der aktiven Faser bei und bietet die höchstmöglichen Übertragungs- und Leistungsfähigkeiten – oft bis in den Multi-kW-Bereich. |
Ultrafast |
Dazu gehören sowohl aktive als auch passive Fasern, die speziell für den Einsatz mit kurzen Pulsbreiten und hohen Spitzenleistungen entwickelt wurden. Zu den Anwendungen gehören Ultrafast Faserlaser, gechirpte Pulsverstärkung, Verstärker mit geringer Linienbreite und Frequenzverdopplung. Es gibt viele verschiedene Designformen für Ultrafast Fasern, je nach der spezifischen Verwendung. Sie alle erfordern jedoch eine genaue Kontrolle der Polarisation und Dispersion, eine hohe Strahlqualität und eine geringe Photodarkening. |
Wie werden optische Fasern hergestellt?
Ein einzelnes Glasfaserkabel, das kilometerlang sein kann, beginnt als ein Glasrohr von nur ein oder zwei Metern Länge. Durch einen chemischen Prozess wird das Material am Innendurchmesser der Röhre umgewandelt und sein Brechungsindex erhöht. Dann wird das Rohr zu einem massiven Zylinder zusammengepresst und aus der Mitte dieses Stabes wird ein Stück herausgeschnitten, um eine so genannte Vorform herzustellen.
Die Vorform wird in einen Ziehturm gelegt. Es wird erhitzt, bis es weich wird, und dann wird das Ende zu einem dünnen Strang gezogen. Die Litze wird kontinuierlich über Seilzüge gewickelt, um die Faser herzustellen. Während dieses Prozesses wird eine Polymerbeschichtung auf die Außenseite der Faser aufgetragen. Dadurch wird die fertige Faser robuster und leichter zu handhaben.
Einige optische Fasern sind nicht zirkularsymmetrisch. Ein Beispiel hierfür wären die polarisationserhaltenden Fasern vom Typ „Panda”. Die Herstellung der Vorformen für diese Art von Fasern erfolgt in einer komplexeren Reihe von Schritten.
Coherent bietet ein umfangreiches und vielfältiges Produktportfolio an Spezialfasern, darunter Laser- und Verstärkerfasern, Hochleistungslaser-Strahlführungsfasern, für medizinische Anwendungen optimierte Fasern, Fasern für Sensoranwendungen und vieles mehr. Wir können Fasern an die spezifischen Kundenbedürfnisse anpassen und sie in Faserbaugruppen integrieren, einschließlich Steckern, Optiken und mehr.