Glasfaser

Ein Bündel optischer Fasern

Faserbesatzung installiert ein Faserkabel von 432 Zählern unter den Straßen von Midtown Manhattan, New York City

A Toslink Das Glasfaser -Audiokabel mit rotem Licht in einem Ende überträgt das Licht auf das andere Ende

A Wandmontalschrank enthält optische Faserverbindungen. Die gelben Kabel sind Einzelmodusfasern; Die Orange und Aqua -Kabel sind Multi-Mode-Fasern: 50/125 µm OM2 bzw. 50/125 µm OM3 -Fasern.

Ein Glasfaser (oder Faser in Britisches Englisch) ist flexibel, transparent Faser hergestellt von Zeichnung Glas (Kieselsäure) oder Kunststoff bis zu einem Durchmesser, der etwas dicker ist als der von a menschliches Haar.^[1] Optische Fasern werden am häufigsten als Mittel zur Übertragung von Licht verwendet^[a] zwischen den beiden Enden der Faser und finden Sie eine breite Verwendung in Faser-optische Kommunikation, wo sie die Übertragung über längere Strecken und höher zulassen Bandbreiten (Datenübertragungsraten) als elektrische Kabel. Fasern werden anstelle von verwendet Metall Kabel, weil Signale mit weniger entlang gehen Verlust; Darüber hinaus sind Fasern immun gegen Elektromagnetische Interferenz, ein Problem, an dem Metalldrähte leiden.^[2] Fasern werden auch für verwendet Erleuchtung und Bildgebung und werden oft in Bündel eingewickelt, damit sie zum Tragen von Licht in oder Bilder aus engen Räumen verwendet werden können, wie im Fall von a Fiberskop.^[3] Speziell gestaltete Fasern werden auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen verwendet, von denen einige sind Glasfasersensoren und Faserlaser.^[4]

Optische Fasern enthalten typischerweise a Ader umgeben von einem transparenten verkleidet Material mit einem niedrigeren Brechungsindex. Licht wird durch das Phänomen von im Kern gehalten Gesamtin interne Reflexion was dazu führt, dass die Faser als a wirkt Wellenleiter.^[5] Fasern, die viele Ausbreitungswege unterstützen oder Quermodi werden genannt Multi-Mode-Fasern, während diejenigen, die einen einzelnen Modus unterstützen Single-Mode-Fasern (SMF).^[6] Multi-Mode-Fasern haben im Allgemeinen einen breiteren Kerndurchmesser^[7] und werden für Kurzstrecken-Kommunikationsverbindungen und für Anwendungen verwendet, bei denen hohe Leistung übertragen werden muss.^[8] Single-Mode-Fasern werden für die meisten Kommunikationsverbindungen mehr als 1.000 Meter verwendet.

In der Lage zu sein, optische Fasern mit geringem Verlust beizutreten, ist für die Glasfaserkommunikation wichtig.^[9] Dies ist komplexer als das Verbinden von elektrischem Kabel oder Kabel und beinhaltet vorsichtig Spalten der Fasern, genaue Ausrichtung der Faserkernen und die Kopplung dieser ausgerichteten Kerne. Für Anwendungen, die eine dauerhafte Verbindung benötigen a Fusionspleiß ist üblich. In dieser Technik wird ein elektrischer Bogen verwendet, um die Enden der Fasern zusammen zu schmelzen. Eine weitere gemeinsame Technik ist a Mechanische Spleiß, wo die Enden der Fasern durch mechanische Kraft in Kontakt gehalten werden. Temporäre oder semi-permanente Verbindungen werden mittels spezialisierter Spezialisierung hergestellt Glasfaseranschlüsse.^[10]

Das Gebiet der angewandten Wissenschaft und Ingenieurwesen, die sich mit der Gestaltung und Anwendung von optischen Fasern befassen Glasfaseroptik. Der Begriff wurde vom indisch-amerikanischen Physiker geprägt Narinder Singh Kapany, der weithin als Vater der Glasfaser anerkannt wird.^[11]

Geschichte

Daniel Colladon Zuerst beschrieb dieses "leichte Brunnen" oder "Lichtrohr" in einem Artikel von 1842 mit dem Titel "über die Reflexionen eines Lichtstrahls in einem parabolischen Flüssigkeitsstrom". Diese besondere Illustration stammt aus einem späteren Artikel von Colladon im Jahr 1884.

Daniel Colladon und Jacques Babinet Zuerst zeigte das Leit von Licht durch Brechung, das Prinzip, das die Optik der Glasfaser ermöglicht, in Paris In den frühen 1840er Jahren. John Tyndall beinhaltete eine Demonstration in seinen öffentlichen Vorträgen in London12 Jahre später.^[12] Tyndall schrieb auch über das Eigentum von Gesamtin interne Reflexion In einem Einführungsbuch über die Natur des Lichts im Jahr 1870:^[13][14]

Wenn das Licht von Luft in Wasser übergeht, ist der gebrochene Strahl gebeugt gegenüber das aufrecht... Wenn der Strahl von Wasser zu Luft übergeht, ist er gebeugt aus Der senkrechte ... wenn der Winkel, den der Strahl in Wasser mit dem senkrechten zur Oberfläche umschließt total reflektiert An der Oberfläche ... der Winkel, der die Grenze markiert, bei der die Gesamtreflexion beginnt, wird als Grenzwinkel des Mediums bezeichnet. Für Wasser beträgt dieser Winkel 48 ° 27 ', für Feuersteinglas 38 ° 41', während er für einen Diamanten 23 ° 42 'beträgt.

Im späten 19. Jahrhundert führte ein Team von Wiener Ärzten Licht durch gebogene Glasstangen, um Körperhöhlen zu beleuchten.^[15] Zu Beginn des 20. Jahrhunderts folgten praktische Anwendungen wie eine enge interne Beleuchtung während der Zahnmedizin. Die Bildübertragung durch Röhrchen wurde vom Radioxperimentator unabhängig demonstriert Clarence Hansell und der Fernsehpionier John Logie Baird In den 1920er Jahren. In den 1930ern, Heinrich Lamm zeigten, dass man Bilder durch ein Bündel unkladischer optischer Fasern übertragen und es für interne medizinische Untersuchungen verwendete, aber seine Arbeit wurde weitgehend vergessen.^[12][16]

1953 der niederländische Wissenschaftler Bram Van Heel[NL] Zuerst zeigte die Bildübertragung durch Bündel optischer Fasern mit einer transparenten Verkleidung.^[16] Das selbe Jahr, Harold Hopkins und Narinder Singh Kapany bei führendes College In London gelang es, Bildübertragung mit über 10.000 Fasern zu machen, und erreichte anschließend eine Bildübertragung durch ein 75 cm langes Bündel, das mehrere tausend Fasern kombinierte.^[16][17][18] Das erste praktische faserhalte halbflexible Faser Gastroskop wurde patentiert von Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters und Lawrence E. Curtiss, Forscher am Universität von Michigan1956 produzierte Curtiss bei der Entwicklung des Gastroskops die ersten Glasfasern; Frühere optische Fasern hatten sich auf Luft- oder unpraktische Öle und Wachse als Materials mit niedriger Index stützten.^[16]

Kapany prägte den Begriff Glasfaseroptik Nach dem Schreiben eines Artikels von 1960 in Wissenschaftlicher Amerikaner Das führte das Thema einem breiten Publikum vor. Anschließend schrieb er das erste Buch über das neue Feld.^[16][19]

Das erste arbeitende faseroptische Datenübertragungssystem wurde vom deutschen Physiker demonstriert Manfred Börner bei Telefunkeln Research Labs in ULM im Jahr 1965, gefolgt von der ersten Patentanwendung für diese Technologie im Jahr 1966.^[20][21] 1968 verwendete die NASA Faseroptik in den Fernsehkameras, die zum Mond geschickt wurden. Zu der Zeit war die Verwendung in den Kameras klassifiziert vertraulichund Mitarbeiter, die mit den Kameras umgehen, mussten von jemandem mit angemessener Sicherheitsfreigabe beaufsichtigt werden.^[22]

Charles K. Kao und George A. Hockham der britischen Firma Standardtelefone und Kabel (STC) waren die ersten, die die Idee förderten, dass die Dämpfung in optischen Fasern könnte unter 20 reduziert werden decibels pro Kilometer (DB/km), das 1965 Fasern zu einem praktischen Kommunikationsmedium macht.^[23] Sie schlugen vor, dass die Dämpfung der zu dieser Zeit verfügbaren Fasern durch Verunreinigungen verursacht wurde, die entfernt werden konnten, und nicht durch grundlegende physikalische Auswirkungen wie Streuung. Sie theoretisierten die Lichtverlusteigenschaften für optische Faser korrekt und systematisch und wiesen auf das richtige Material hin, das für solche Fasern verwendet werden kann-Kieselglas mit hoher Reinheit. Diese Entdeckung brachte Kao die ein Nobelpreis für Physik in 2009.^[24] Die entscheidende Dämpfungsgrenze von 20 dB/km wurde erstmals 1970 von Forschern erreicht Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultzund Frank Zimar arbeitet für American Glass Maker Corning Glass funktioniert.^[25] Sie zeigten eine Faser mit 17 dB/km Dämpfung von Doping Kieselglas mit Titan. Einige Jahre später produzierten sie eine Faser mit nur 4 dB/km Dämpfung mit Verwendung Germanium -Dioxid als Kerndotiermittel. 1981,, General Electric produziert verschmolzen Quarz Barge Das könnte 40 km lang in Stränge gezogen werden.^[26]

Anfänglich konnten hochwertige optische Fasern nur bei 2 Metern pro Sekunde hergestellt werden. Chemieingenieur Thomas Mensah trat 1983 Corning an und erhöhte die Herstellungsgeschwindigkeit auf über 50 Meter pro Sekunde.^[27] Diese Innovationen führten in der Ära der faserfaser -Telekommunikation ein.

Das italienische Forschungszentrum Cselt arbeitete mit Corning zusammen, um praktische optische Glasfaserkabel zu entwickeln, was dazu führte, dass das erste Metropolitan -Glasfaserkabel 1977 in Turin eingesetzt wird.^[28][29] CSELT entwickelte auch eine frühe Technik zum Spleißen optischer Fasern namens Springroove.^[30]

Die Dämpfung in modernen optischen Kabeln ist weitaus geringer als in elektrischen Kupferkabeln, was zu Faserverbindungen mit Langstrecken mit Repeater-Abständen von 70–150 Kilometern (43–93 mi) führt. Zwei Teams, angeführt von David N. Payne des Universität von Southampton und Emmanuel Desurvire bei Bell Labs, entwickelte die Erbium-dotierter Faserverstärker, die die Kosten für Fernfasersysteme reduzierten, indem sie in den Jahren 1986 bzw. 1987 optisch-elektrischoptische Repeater reduzierten oder beseitigt. ^{[31][32] [33]}

Das aufstrebende Feld von photonic crystals führte zur Entwicklung 1991 von Photonische Kristallfaser,^[34] das leitet Licht durch Beugung aus einer periodischen Struktur und nicht durch die gesamte interne Reflexion. Die ersten photonischen Kristallfasern wurden im Jahr 2000 im Handel erhältlich.^[35] Photonische Kristallfasern können höhere Leistung als herkömmliche Fasern tragen, und ihre wellenlängenabhängigen Eigenschaften können manipuliert werden, um die Leistung zu verbessern.

Verwendet

Kommunikation

Optische Faser werden als Medium für verwendet Telekommunikation und Computernetzwerk Weil es flexibel ist und als Kabel gebündelt werden kann. Es ist besonders vorteilhaft für Fernkommunikation, weil Infrarotlicht Propagiert sich mit viel niedriger durch die Faser Dämpfung im Vergleich zu Strom in elektrischen Kabeln. Dadurch können große Strecken mit wenigen überspannt werden Repeater.

10 oder 40 gbit/s sind typisch für bereitgestellte Systeme.^[36][37]

Durch die Nutzung von Wellenlängen-Division-Multiplexing (WDM) kann jede Faser viele unabhängige Kanäle tragen, die jeweils eine andere Lichtwellenlänge verwenden. Die Nettodatenrate (Datenrate ohne Gemeinkosten-Bytes) pro Faser ist die durch die reduzierte Datenrate pro Kanalreduzierung Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) Overhead, multipliziert mit der Anzahl der Kanäle (normalerweise bis zu 80 im Werbespot dichter WDM Systeme ab 2008^{[aktualisieren]}).

Für Kurzstreckenanwendungen wie ein Netzwerk in einem Bürogebäude (siehe Faser zum Büro), faseroptische Verkabelung kann Platz in Kabelkanälen sparen. Dies liegt daran, dass eine einzelne Faser viel mehr Daten tragen kann als elektrische Kabel wie Standard Kategorie 5 Kabel, die typischerweise bei 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s -Geschwindigkeit läuft.

Fasern werden häufig auch für Kurzstreckenverbindungen zwischen Geräten verwendet. Zum Beispiel die meisten Hochdefinitionsfernseher Bieten Sie eine digitale Audio -optische Verbindung an. Dadurch ermöglicht das Streaming von Audio über Licht mit dem S/pdif Protokoll über eine optische Toslink Verbindung.

Sensoren

Fasern haben viele Verwendungszwecke bei der Fernerkundung. In einigen Anwendungen ist der Sensor selbst eine optische Faser. Fasern werden verwendet, um Strahlung an einen Sensor zu kanalisieren, in dem sie gemessen wird. In anderen Fällen wird Faser verwendet, um einen Sensor an ein Messsystem zu verbinden.

Optische Fasern können als Sensoren verwendet werden, um zu messen Beanspruchung, Temperatur, Druckund andere Mengen durch Modifizierung einer Faser, so dass die gemessene Eigenschaft die moduliert Intensität, Phase, Polarisation, Wellenlängeoder Transitzeit des Lichts in der Faser. Sensoren, die die Lichtintensität variieren, sind die einfachsten, da nur eine einfache Quelle und ein einfacher Detektor erforderlich sind. Ein besonders nützliches Merkmal solcher Glasfasersensoren ist, dass sie bei Bedarf verteilte Erfassungen über Abstände von bis zu einem Meter liefern können. Im Gegensatz dazu können hoch lokalisierte Messungen durch Integration miniaturisierter Erfassungselemente in die Faserspitze bereitgestellt werden.^[44] Diese können durch verschiedene Mikro- und Verschiedene implementiert werden Nanofabrication Technologien, so dass sie die mikroskopische Grenze der Faserspitze nicht überschreiten und Anwendungen wie Einfügen in Blutgefäße über Injektionsnadel ermöglichen.

Extrinsische Glasfasersensoren verwenden eine Glasfaser-Kabelnormalerweise ein Multi-Modus, um zu übertragen moduliert Licht aus einem nicht faser optischen Sensor-oder einem elektronischen Sensor, der an einen optischen Sender angeschlossen ist. Ein wesentlicher Vorteil von extrinsischen Sensoren ist ihre Fähigkeit, ansonsten unzugängliche Orte zu erreichen. Ein Beispiel ist die Messung der Temperatur im Inneren Jet -Motoren Durch die Verwendung einer Faser zum Senden Strahlung in ein Pyrometer außerhalb des Motors. Extrinsische Sensoren können auf die gleiche Weise verwendet werden, um die innere Temperatur von zu messen Elektrische Transformatoren, wo das Extrem elektromagnetische Felder Gegenwärtig machen andere Messtechniken unmöglich. Extrinsische Sensoren messen Vibrationen, Rotation, Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehmoment und Torsion. Es wurde eine Festkörperversion des Gyroskops unter Verwendung der Lichtinterferenz entwickelt. Das Glasfasergyroskop (Nebel) hat keine beweglichen Teile und nutzt die Sagnac -Effekt mechanische Rotation erfassen.

Zu den häufigen Verwendungen für Glasfasersensoren gehören Sicherheitssysteme für erweiterte Intrusion Detection. Das Licht wird entlang eines Fasersensorkabels übertragen, das auf einen Zaun, eine Rohrleitung oder eine Kommunikationsverkabelung platziert ist, und das zurückgegebene Signal wird auf Störungen überwacht und analysiert. Dieses Rückkehrsignal wird digital verarbeitet, um Störungen zu erkennen und einen Alarm zu stolpern, wenn ein Eindringen aufgetreten ist.

Optische Fasern werden häufig als Komponenten von optischen chemischen Sensoren und optisch verwendet Biosensoren.^[45]

Kraftübertragung

Optische Faser können verwendet werden, um die Leistung mit a zu übertragen Photovoltaikzelle Um das Licht in Strom umzuwandeln.^[46] Diese Methode der Stromübertragung ist zwar nicht so effizient wie herkömmliche, ist jedoch besonders nützlich in Situationen, in denen es wünschenswert ist, keinen metallischen Leiter zu haben, wie im Fall der Verwendung in der Nähe von MRT -Maschinen, die starke Magnetfelder erzeugen.^[47] Weitere Beispiele sind für die Stromversorgung von Elektronik in hochleistungsfähigen Antennenelementen und Messgeräten, die in Hochspannungsübertragungsgeräten verwendet werden.

Andere Verwendungen

A Frisbeescheibe durch Glasfaser beleuchtet

Licht reflektiert von optischen Faserbeleuchtungen ausgestelltes Modell

Verwendung von optischen Fasern in einer dekorativen Lampe oder Nachtlicht

Optische Fasern werden als verwendet Leichte Führer In medizinischen und anderen Anwendungen, in denen helles Licht ohne eindeutiges Sichtweg auf ein Ziel gerichtet werden muss. Viele Mikroskope Verwenden Sie faseroptische Lichtquellen, um eine intensive Beleuchtung von untersuchten Proben zu ermöglichen.

Die optische Faser wird auch in der Bildgebungsoptik verwendet. Ein kohärentes Bündel Fasern wird manchmal zusammen mit den Objektiven für ein langes, dünnes Bildgebungsgerät verwendet Endoskop, mit der Objekte durch ein kleines Loch angezeigt werden. Medizinische Endoskope werden für minimal invasive explorative oder chirurgische Eingriffe verwendet. Industrielle Endoskope (siehe Fiberskop oder Boorscope) werden verwendet, um alles zu inspizieren, was schwer zu erreichen ist, wie z. B. Innenräume mit Jet -Motor.

In einigen Gebäuden leiten optische Fasern Sonnenlicht vom Dach zu anderen Teilen des Gebäudes (siehe Nicht -verbindliche Optik). Optische Faserlampen werden zur Beleuchtung in dekorativen Anwendungen verwendet, einschließlich Zeichen, Kunst, Spielzeug und künstlich Weihnachtsbäume. Die optische Faser ist ein intrinsischer Bestandteil des lichtübergreifenden Betonbauprodukts Litracon.

Optische Faser können auch in verwendet werden strukturelle Gesundheitsüberwachung. Diese Art von Sensor kann Stress erkennen, die möglicherweise nachhaltig beeinflusst werden Strukturen. Es basiert auf dem Prinzip der Messung der analogen Dämpfung.

Im SpektroskopieSenden Sie das Licht von einem Spektrometer auf eine Substanz, die nicht innerhalb des Spektrometers selbst platziert werden kann, um seine Zusammensetzung zu analysieren. Ein Spektrometer analysiert Substanzen, indem sie Licht aus und durch sie abprallt. Durch die Verwendung von Fasern kann ein Spektrometer verwendet werden, um Objekte remote zu untersuchen.^[48][49][50]

Eine optische Faser dotiert mit sicher seltene Erdvorkommen wie zum Beispiel Erbium kann als die verwendet werden Medium gewinnen von a Laser- oder Optischer Verstärker. Seltenerd-dotierte optische Fasern können verwendet werden, um eine Signalverstärkung durch Spleißen eines kurzen Abschnitts dotierter Faser in eine regelmäßige (undotierte) optische Faserlinie zu ermöglichen. Die dotierte Faser ist optisch gepumpt mit einer zweiten Laserwellenlänge, die zusätzlich zur Signalwelle in die Linie gekoppelt ist. Beide Lichtwellenlängen werden durch die dotierte Faser übertragen, die die Energie von der zweiten Pumpenwellenlänge an die Signalwelle überträgt. Der Prozess, der die Verstärkung verursacht, ist stimulierte Emission.

Die optische Faser wird auch als nichtlineares Medium weit verbreitet. Das Glasmedium unterstützt eine Vielzahl nichtlinearer optischer Wechselwirkungen, und die langen Wechselwirkungslängen, die in Faser möglich sind, erleichtern eine Vielzahl von Phänomenen, die für Anwendungen und grundlegende Untersuchungen genutzt werden.^[51] Umgekehrt kann Faser -Nichtlinearität schädliche Auswirkungen auf optische Signale haben, und es sind häufig Maßnahmen erforderlich, um solche unerwünschten Effekte zu minimieren.

Optische Fasern dotiert mit a Wellenlängenschieber sammeln Szintillation Licht hinein Physikversuche.

Faser-optische Sehenswürdigkeiten Für Handfeuerwaffen, Gewehre und Schrotflinten verwenden Sie optische Faserstücke, um die Sichtbarkeit von Markierungen auf den Anblick zu verbessern.

Funktionsprinzip

Glasfasertypen

Eine optische Faser ist zylindrisch dielektrischer Wellenleiter (nicht zeitlich Wellenleiter), das Licht entlang seiner Achse durch den Prozess der gesamten internen Reflexion überträgt. Die Faser besteht aus a Ader umgeben von a verkleidet Schicht, beide bestehen aus Dielektrikum Materialien.^[52] Um das optische Signal im Kern einzuschränken, die Brechungsindex des Kerns müssen größer sein als die der Verkleidung. Die Grenze zwischen Kern und Verkleidung kann entweder abrupt sein, in Stiefindexfaseroder allmählich in Graded-Index-Faser. Licht kann mit Lasern oder LEDs in optische Fasern eingespeist werden.

Faser ist immun gegen elektrische Störungen; Es gibt kein Übersprechen zwischen den Signalen in verschiedenen Kabeln und keine Aufnahme von Umgebungsgeräuschen. Informationen, die innerhalb der optischen Faser fasern, sind sogar immun gegen elektromagnetische Impulse erzeugt durch nukleare Geräte.^[b]

Glasfaserkabel leiten keinen Strom, was Glasfaser zum Schutz der Kommunikationsgeräte in nützlich macht Hochspannung Umgebungen wie Energieerzeugung Einrichtungen oder Anwendungen, die anfällig für Blitz Streiks. Die elektrische Isolation verhindert auch Probleme mit Bodenschleifen. Da es in optischen Kabeln keinen Strom gibt, der möglicherweise Funken erzeugen kann, können sie in Umgebungen verwendet werden, in denen explosive Dämpfe vorhanden sind. Abhöre (in diesem Fall, Faser -Klopfen) ist im Vergleich zu elektrischen Verbindungen schwieriger.

Faserkabel sind nicht gezielt für Metalldiebstahl. Im Gegensatz dazu verwenden Kupferkabelsysteme große Kupfermengen und werden seit dem gezielt gezielt 2000s commodities boom.

Brechungsindex

Das Brechungsindex ist eine Möglichkeit, die zu messen Lichtgeschwindigkeit in einem Material. Licht fährt am schnellsten in a Vakuum, wie im Weltraum. Die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum beträgt ca. 300.000 Kilometer (186.000 Meilen) pro Sekunde. Der Brechungsindex eines Mediums wird berechnet, indem die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum durch die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium geteilt wird. Der Brechungsindex eines Vakuums ist daher per Definition 1. Eine typische Single-Mode-Faser, die für Telekommunikation verwendet wird, verfügt über eine Verkleidung aus reinem Siliciumdioxid mit einem Index von 1,444 bei 1500 nm und einem Kern aus dotiertem Kieselsäure mit einem Index um 1,4475.^[52] Je größer der Brechungsindex ist, desto langsamer ist das langsamere Licht in diesem Medium. Aus diesen Informationen wird eine einfache Faustregel lautet, dass ein Signal mit optischer Faser für die Kommunikation mit rund 200.000 Kilometern pro Sekunde reisen wird. Ein Telefonanruf zwischen Faser zwischen Sydney und New York, einer 16.000 Kilometer langen Entfernung, bedeutet also, dass es eine Mindestverzögerung von 80 Millisekunden gibt (ungefähr ${\ displayStyle {\ tfrac {1} {12}}}$ von einer Sekunde) zwischen einem Anrufer spricht und der andere hört.^[c]

Gesamtin interne Reflexion

Wenn das Licht in einem optisch dichten Medium eine Grenze in einem steilen Winkel trifft (größer als die Kritischer Winkel Für die Grenze) wird das Licht vollständig reflektiert. Das nennt man Gesamtin interne Reflexion. Dieser Effekt wird in optischen Fasern verwendet, um das Licht im Kern einzuschränken. Die modernste optische Faser ist schwach Führung, was bedeutet, dass der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Kern und der Verkleidung sehr gering ist (typischerweise weniger als 1%).^[53] Licht fährt durch den Faserkern und hüpft von der Grenze zwischen Kern und Verkleidung hin und her.

Da das Licht die Grenze mit einem Winkel größer als dem kritischen Winkel schlagen muss, kann nur Licht, das innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs in die Faser eindringt, die Faser hinunterfahren, ohne auszugehen. Dieser Winkelbereich wird als die genannten Winkeln bezeichnet Akzeptanzkegel der Faser. Es gibt einen maximalen Winkel aus der Faserachse, in dem Licht in die Faser eindringen kann, damit es sich im Kern der Faser ausbreitet oder wandert. Das Sinus von diesem maximalen Winkel ist der Numerische Blende (Na) der Faser. Faser mit einer größeren NA erfordert weniger Präzision, um mit Fasern mit einer kleineren NA zu arbeiten. Die Größe dieses Akzeptanzkegels ist eine Funktion des Brechungsindexunterschieds zwischen dem Kern der Faser und der Verkleidung. Single-Mode-Faser hat eine kleine NA.

Multi-Mode-Faser

Die Ausbreitung des Lichts durch a multimodische Glasfaser.

Ein Laser, der auf eine hüpfte Acryl- Stange, die die gesamte interne Reflexion von Licht in einer multimodischen Glasfaser veranschaulicht.

Faser mit großem Kerndurchmesser (mehr als 10 Mikrometer) können durch analysiert werden Geometrische Optik. Solche Faser heißt Multi-Mode-Faser, aus der elektromagnetischen Analyse (siehe unten). In einer Stiefindex-Multi-Mode-Faser,, Strahlen Licht werden durch die gesamte interne Reflexion entlang des Faserkerns geführt. Strahlen, die die Kerngrenze in einem Winkel erfüllen (gemessen in Bezug auf eine Linie normal an die Grenze) größer als die Kritischer Winkel Für diese Grenze werden vollständig reflektiert. Der kritische Winkel wird durch die Differenz im Brechungsindex zwischen den Kern- und Verkleidungsmaterialien bestimmt. Strahlen, die die Grenze in einem niedrigen Winkel begegnen Ader in die Verkleidung, an der sie enden. Der kritische Winkel bestimmt die Akzeptanzwinkel der Faser, oft als als Numerische Blende. Eine hohe numerische Apertur ermöglicht es Licht, die Faser in Strahlen sowohl in der Nähe der Achse als auch in verschiedenen Winkeln zu verbreiten, was eine effiziente Kopplung von Licht in die Faser ermöglicht. Diese hohe numerische Apertur erhöht jedoch die Menge an Dispersion als Strahlen in verschiedenen Blickwinkeln unterschiedlich Pfadlängen und nehmen Sie daher unterschiedliche Zeitmengen, um die Faser zu durchqueren.

In der abgestuften Faser-Index-Faser nimmt der Brechungsindex im Kern kontinuierlich zwischen der Achse und der Verkleidung ab. Dies führt dazu, dass sich Lichtstrahlen reibungslos beugen, wenn sie sich der Verkleidung nähern, anstatt sich abrupt von der Kernverkleinerungsgrenze zu reflektieren. Die resultierenden gekrümmten Pfade reduzieren die Mehrwegdispersion, da Hochwinkelstrahlen eher durch die untere Index-Peripherie des Kerns als durch das High-Index-Zentrum fließen. Das Indexprofil wird ausgewählt, um die Differenz der axialen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Strahlen in der Faser zu minimieren. Dieses ideale Indexprofil ist sehr nahe an a parabolisch Beziehung zwischen dem Index und dem Abstand von der Achse.

Einzelmodusfaser

Die Struktur einer typischen Einzelmodusfaser.
1. Kern: 8 µm Durchmesser
2. Verkleidung: 125 µm Dia.
3. Puffer: 250 uM Durchmesser.
4. Jacke: 400 uM Durchmesser.

Faser mit einem Kerndurchmesser von weniger als etwa das Zehnfache der Wellenlänge des ausbreitenden Lichts kann nicht mit geometrischen Optik modelliert werden. Stattdessen muss es als elektromagnetische Wellenleiterstruktur nach Analyse analysiert werden Maxwells Gleichungen wie reduziert auf die Elektromagnetische Wellengleichung.^[d] Als optischer Wellenleiter unterstützt die Faser einen oder mehrere begrenzte Quermodi durch welches Licht kann sich entlang der Faser ausbreiten. Faser, die nur einen Modus unterstützt, heißt Einspielermodus.^[e] Die Wellenleiteranalyse zeigt, dass die Lichtenergie in der Faser nicht vollständig im Kern eingeschlossen ist. Stattdessen bewegt sich insbesondere in Einzelmodusfasern ein signifikanter Teil der Energie im gebundenen Modus in der Verkleidung als Evaneszente Welle. Die häufigste Art von Single-Mode-Faser hat einen Kerndurchmesser von 8–10 Mikrometern und ist für die Verwendung in der ausgelegt Nah-Infrarot. Multi-Mode-Faser werden im Vergleich zu Kerndurchmessern von nur 50 Mikrometern und so groß wie Hunderte von Mikrometern hergestellt.

Spezialfaser

Einige spezielle optische Faser sind mit einer nicht-zylindrischen Kern- oder Verkleidungsschicht konstruiert, normalerweise mit einem elliptischen oder rechteckigen Querschnitt. Diese beinhalten Polarisations-ANTRAGEN FIMER verwendet in Glasfasersensoren und Faser, die zur Unterdrückung ausgelegt sind Whispering Gallery -Modus Vermehrung.

Photonische Kristallfaser wird mit einem regelmäßigen Muster der Indexvariation hergestellt (häufig in Form von zylindrischen Löchern, die entlang der Länge der Faser laufen). Solche Fasern verwendet Beugung Effekte statt oder zusätzlich zu der gesamten internen Reflexion, um Licht auf den Kern der Faser zu beschränken. Die Eigenschaften der Faser können auf eine Vielzahl von Anwendungen zugeschnitten werden.

Dämpfungsmechanismen

Experimentelle Dämpfungskurve von Multimode -Silica- und Zblan -Fasern mit geringem Verlust. Schwarze Dreieckspunkte und graue Pfeile veranschaulichen eine Größenreduzierung von vier Größenverträgen bei der Abschwächung von Siliciumdioxidfasern über vier Jahrzehnte von ~ 1000 dB/km im Jahr 1965 auf ~ 0,17 dB/km im Jahr 2005.

Theoretische Verlustspektren (Dämpfung, DB/km) für Kiesellagerfaser (gestrichelte blaue Linie) und typische ZBLAN -Faser (durchgezogene graue Linie) als Funktion der Wellenlänge (Mikrometer).

Die Dämpfung der Glasfaser, auch als Transmissionsverlust bezeichnet, ist die Verringerung der Intensität des Lichtsignals, wenn es durch das Übertragungsmedium wandert. Dämpfungskoeffizienten in Faseroptik werden normalerweise in DB/km -Einheiten ausgedrückt. Das Medium ist normalerweise eine Faser aus Kieselglas^[f] Das beschränkt den einfallenden Lichtstrahl innerhalb. Die Dämpfung ist ein wichtiger Faktor, der die Übertragung eines digitalen Signals über große Entfernungen einschränkt. Daher ist viel Forschung in die Begrenzung der Dämpfung und die Maximierung der Verstärkung des optischen Signals. Die vier Größenreduzierungen bei der Abschwächung von Kieselsäure -optischen Fasern über vier Jahrzehnte waren das Ergebnis einer ständigen Verbesserung der Herstellungsprozesse, der Rohstoffreinheit, der Preform und der Faserkonstruktionen, die es diesen Fasern ermöglichten, sich der theoretischen Untergrenze der Abschwächung zu nähern.^[54]

Optische Einzelmodusfasern können mit extrem geringem Verlust hergestellt werden. Die SMF-28-Faser von Corning, eine Standard-Single-Mode-Faser für Telekommunikationswellenlängen, hat einen Verlust von 0,17 dB/km bei 1550 nm.^[55] Beispielsweise überträgt eine 8 km lange Länge von SMF-28 fast 75% Licht bei 1.550 nm. Es wurde angemerkt, dass man, wenn das Meerwasser so klar wie Ballaststoffe war, bis zum Boden sogar von dem sehen konnte Mariana Graben Im Pazifischen Ozean eine Tiefe von 11.000 Metern (36.000 Fuß).^[56]

Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Dämpfung in faserfasern hauptsächlich durch beide verursacht wird Streuung und Absorption.

Lichtstreuung

Spiegelreflexion

Diffuse Reflexion

Die Ausbreitung des Lichts durch den Kern einer optischen Faser basiert auf der gesamten internen Reflexion der Lichtwelle. Raue und unregelmäßige Oberflächen können auch auf molekularer Ebene dazu führen, dass Lichtstrahlen in zufälligen Richtungen reflektiert werden. Das nennt man diffuse Reflexion oder Streuungund es ist typischerweise durch eine Vielzahl von Reflexionswinkeln gekennzeichnet.

Streuung hängt von der ab Wellenlänge des Lichts verstreut. Daher entstehen Grenzen für räumliche Skalen der Sichtbarkeit, abhängig von der Frequenz der einfallenden Lichtwelle und der physikalischen Dimension (oder räumlichen Skala) des Streuzentrums, das typischerweise in Form eines bestimmten mikrostrukturellen Merkmals liegt. Seit sichtbares Licht hat eine Wellenlänge der Größenordnung von einem Mikrometer (eine Millionsthe einer Meter) Streuzentren haben Dimensionen auf ähnlicher räumlicher Skala.

Somit resultiert die Dämpfung aus dem Inkohärente Streuung Licht im Innen Oberflächen und Schnittstellen. In (poly-) kristallinen Materialien wie Metalle und Keramik sowie die meisten inneren Oberflächen oder Schnittstellen befinden sich in Form von Korngrenzen Das trennen winzige Regionen kristalliner Ordnung. Es wurde gezeigt, dass, wenn die Größe des Streuzentrums (oder Korngrenze) unter der Größe der Wellenlänge des gestreutenden Lichts reduziert wird, die Streuung nicht mehr in einem signifikanten Ausmaß mehr auftritt. Dieses Phänomen hat die Produktion von hervorgebracht transparente Keramikmaterialien.

In ähnlicher Weise wird die Streuung von Licht in Glasfaser optischer Qualität durch molekulare Niveau -Unregelmäßigkeiten (Zusammensetzungschwankungen) in der Glasstruktur verursacht. In der Tat ist eine aufstrebende Denkschule, dass Glas einfach der begrenzende Fall eines polykristallinen Feststoffs ist. Innerhalb dieses Rahmens, Domänen Das Aufstellen verschiedener Kurzstreckenordnung werden zu Bausteinen der Metalle sowie Brillen und Keramik. Verteilt sowohl zwischen als auch innerhalb dieser Domänen sind Mikrostrukturdefekte, die die idealsten Orte für die Lichtstreuung bieten. Das gleiche Phänomen wird als einer der begrenzenden Faktoren in der Transparenz von IR -Raketen Kuppeln angesehen.^[57]

Bei hohen optischen Kräften kann die Streuung auch durch nichtlineare optische Prozesse in der Faser verursacht werden.^[58][59]

UV-Vis-IR-Absorption

Zusätzlich zur Lichtstreuung kann auch Dämpfung oder Signalverlust aufgrund der selektiven Absorption spezifischer Wellenlängen auftreten. Primäre Materialüberlegungen umfassen sowohl Elektronen als auch Moleküle wie folgt:

• Auf elektronischer Ebene hängt es davon ab, ob die Elektronenorbitale verteilt (oder "quantisiert") sind, so dass sie ein Lichtquantum (oder Photon) einer spezifischen Wellenlänge oder Frequenz im Ultraviolett (UV) oder sichtbaren Bereichen absorbieren können. Dies führt zu Farbe.
• Auf atomarer oder molekularer Ebene hängt es von den Frequenzen von atomaren oder molekularen Schwingungen oder chemischen Bindungen ab, wie eng seine Atome oder Moleküle gepackt sind und ob die Atome oder Moleküle eine langfristige Ordnung aufweisen oder nicht. Diese Faktoren bestimmen die Kapazität des Materials, längere Wellenlängen im Infrarot- (IR), FAR IR-, Radio- und Mikrowellenbereich zu übertragen.

Die Gestaltung eines optisch transparenten Geräts erfordert die Auswahl von Materialien, die auf Kenntnis seiner Eigenschaften und Einschränkungen basieren. Das Kristallstruktur Absorption Die in den Regionen unteren Frequenz (mittleren bis fernen IR-Wellenlängenbereich) beobachteten Eigenschaften definieren die Langwellenlängentransparenzgrenze des Materials. Sie sind das Ergebnis des interaktiven Kupplung Zwischen den Bewegungen thermisch induzierter Schwingungen des Bestandteils Atome und Moleküle des festen Gitters und der einfallenden Lichtwellenstrahlung. Daher werden alle Materialien durch begrenzende Absorptionsregionen begrenzt, die durch atomare und molekulare Schwingungen (Bindungsstrainung) im Ferninfrarot (> 10 µm) verursacht werden.

Mit anderen Worten, die selektive Absorption von IR -Licht durch ein bestimmtes Material tritt auf, da die ausgewählte Frequenz der Lichtwelle mit der Frequenz (oder einem ganzzahligen Mehrwert der Frequenz, d. H. harmonisch), bei denen die Partikel dieses Materials vibrieren. Da verschiedene Atome und Moleküle unterschiedliche Vibrationsfrequenzen aufweisen, nehmen sie selektiv unterschiedliche Frequenzen (oder Teile des Spektrums) des IR -Lichts auf.

Reflexion und Übertragung von Lichtwellen treten auf, da die Frequenzen der Lichtwellen nicht mit den natürlichen Resonanzfrequenzen der Vibration der Objekte übereinstimmen. Wenn das Licht dieser Frequenzen auf ein Objekt trifft, wird die Energie entweder reflektiert oder übertragen.

Verlustbudget

Die Dämpfung über einen Kabellauf wird durch die Einbeziehung von Steckverbindern und Spleißen erheblich erhöht. Bei der Berechnung der akzeptablen Dämpfung (Verlustbudget) zwischen einem Sender und einem Empfänger umfasst einer:

• DB -Verlust aufgrund des Typs und der Länge des Glasfaserkabels,
• DB -Verlust, der von Steckverbindern eingeführt wird, und
• DB -Verlust durch Spleiße.

Anschlüsse führen in der Regel 0,3 dB pro Stecker auf gut gepolierten Steckverbinder ein. Spleiße führen typischerweise weniger als 0,3 dB pro Spleiß ein.

Der Gesamtverlust kann berechnet werden durch:

Verlust = DB -Verlust pro Stecker × Anzahl der Anschlüsse + DB -Verlust pro Spleiß × Anzahl von Spleißen + DB -Verlust pro Kilometer × Kilometer Faser,

wobei der DB -Verlust pro Kilometer eine Funktion der Fasertyp ist und in den Spezifikationen des Herstellers zu finden ist. Beispielsweise hat eine typische 1550-nm-Single-Mode-Faser einen Verlust von 0,4 dB pro Kilometer.

Das berechnete Verlustbudget wird beim Testen verwendet, um zu bestätigen, dass der gemessene Verlust innerhalb der normalen Betriebsparameter liegt.

Herstellung

Materialien

Glasfasern werden fast immer aus Glasfasern hergestellt Kieselsäure, aber einige andere Materialien, wie z. Fluorozirconat, Fluoruminat, und Chalkogenidbrille sowie kristalline Materialien wie Saphirwerden für längere Wellenlängeninfrarot oder andere spezielle Anwendungen verwendet. Kieselsäure- und Fluoridgläser haben normalerweise Brechungsindizes von etwa 1,5, aber einige Materialien wie die Chalkogenide Kann Indizes von bis 3 haben. Typischerweise beträgt der Indexunterschied zwischen Kern und Verkleidung weniger als ein Prozent.

Plastische optische Fasern (POF) sind üblicherweise Step-Index-Multi-Mode-Fasern mit einem Kerndurchmesser von 0,5 Millimetern oder größer. POF weisen typischerweise höhere Dämpfungskoeffizienten auf als Glasfasern, 1 dB/m oder höher, und diese hohe Dämpfung begrenzt den Bereich der POF-basierten Systeme.

Kieselsäure

Kieselsäure zeigt ziemlich gute optische Übertragung über einen weiten Bereich von Wellenlängen. In dem Nah-Infrarot (In der Nähe von IR) Teil des Spektrums, insbesondere bei etwa 1,5 μm, kann Siliciumdioxid extrem niedrige Absorptions- und Streuverluste in der Größenordnung von 0,2 dB/km aufweisen. Solche bemerkenswert niedrigen Verluste hängen von der Verwendung von Ultra-Pure-Siliciumdioxid ab. Eine hohe Transparenz im Bereich von 1,4 μm wird durch Aufrechterhaltung einer niedrigen Konzentration von erreicht Hydroxylgruppen (OH). Alternativ ein hohes Oh Konzentration ist besser für die Übertragung in der Ultraviolett (UV) Region.^[60]

Kieselsäure kann bei einigermaßen hohen Temperaturen in Fasern gezogen werden und hat eine ziemlich breite Glasumwandlungsreichweite. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Fusionspleißen und das Spalten von Silica -Fasern relativ wirksam sind. Siliciumdioxidfasern hat auch eine hohe mechanische Festigkeit gegen das Ziehen und sogar das Biegen, vorausgesetzt, die Faser ist nicht zu dick und die Oberflächen wurden während der Verarbeitung gut vorbereitet. Sogar einfaches Spalten (Brechen) der Enden der Faser kann schön flache Oberflächen mit akzeptabler optischer Qualität liefern. Kieselsäure ist auch relativ chemisch inert. Insbesondere ist es nicht hygroskopisch (absorbiert kein Wasser).

Kieselglas kann mit verschiedenen Materialien dotiert werden. Ein Zweck des Dotierens ist es, die zu erhöhen Brechungsindex (z. B. mit Germanium -Dioxid (Geo₂) oder Aluminium Oxid (Al₂O₃)) oder um es zu senken (z. B. mit Fluor oder Bor -Trioxid (B₂O₃)). Doping ist auch mit laseraktiven Ionen (z. Laser- Anwendungen. Sowohl der Faserkern als auch die Verkleidung sind typischerweise dotiert, so dass die gesamte Montage (Kern und Verkleidung) effektiv dieselbe Verbindung (z. B. a Aluminosilikat, Deutschosilikat, Phosphosilikat oder Borosilikatglas).

Insbesondere für aktive Fasern ist reines Kieselsäure normalerweise kein sehr geeignetes Wirtsglas, da es eine geringe Löslichkeit für seltene Erd Ionen aufweist. Dies kann aufgrund der Clusterbildung von Dotierungen zu Quenching -Effekten führen. Aluminosilikate sind in dieser Hinsicht viel effektiver.

Siliciumdioxidfasern weist auch einen hohen Schwellenwert für optische Schäden auf. Diese Eigenschaft sorgt für eine geringe Tendenz zum durch Laser induzierten Zusammenbruch. Dies ist wichtig für Faserverstärker, wenn sie zur Verstärkung kurzer Impulse verwendet werden.

Aufgrund dieser Eigenschaften sind Silica-Fasern das Material der Wahl in vielen optischen Anwendungen, wie die Kommunikation (mit Ausnahme sehr kurzer Strecken mit plastischen optischen Fasern), Faserlasern, Faserverstärker und Faseroptikumsensoren. Große Anstrengungen zur Entwicklung verschiedener Arten von Kieselsäurefasern haben die Leistung solcher Fasern gegenüber anderen Materialien weiter erhöht.^{[61][62][63][64][65][66][67][68]}

Fluoridglas

Fluoridglas ist eine Klasse von nicht oxid optischen Qualitätsbrillen Fluoride von verschiedenen Metalle. Wegen ihrer niedrigen ViskositätEs ist sehr schwierig, vollständig zu vermeiden Kristallisation Während des Verarbeitens durch den Glasübergang (oder das Zeichnen der Faser aus der Schmelze). So obwohl Schwermetall Fluoridgläser (HMFG) weisen eine sehr geringe optische Abschwächung auf, sie sind nicht nur schwer herzustellen, sondern sind auch ziemlich zerbrechlich und haben einen schlechten Widerstand gegen Feuchtigkeit und andere Umweltangriffe. Ihr bestes Attribut ist, dass ihnen das Absorptionsband fehlt, das mit dem verbunden ist Hydroxyl (OH) Gruppe (3.200–3.600 cm^–1; d.h. 2,777–3,125 nm oder 2,78–3,13 μm), was in fast allen Gläern auf Oxidbasis vorhanden ist.

Ein Beispiel für ein Schwermetallfluoridglas ist das Zblan Glasgruppe, zusammengesetzt aus Zirkonium, Barium, Lanthan, Aluminium, und Natrium Fluoride. Ihre wichtigste technologische Anwendung ist sowohl in planarer als auch in Faserform als optische Wellenleiter. Sie sind besonders in der vorteilhaft Mid-Infrarot (2.000 bis 5.000 nm) Reichweite.

HMFGs wurden ursprünglich für optische Faseranwendungen geplant, da die intrinsischen Verluste einer mittleren IR-Faser im Prinzip niedriger sein könnten als die von Silica-Fasern, die nur bis zu etwa 2 μm transparent sind. In der Praxis wurden jedoch so niedrige Verluste nie realisiert, und die Fragilität und die hohen Kosten für Fluoridfasern machten sie als Primärkandidaten weniger ideal. Später wurde der Nutzen von Fluoridfasern für verschiedene andere Anwendungen entdeckt. Dazu gehören Mid-IR -Spektroskopie, Glasfasersensoren, Thermometrie, und Bildgebung. Außerdem können Fluoridfasern für geführte Lichtwellenübertragung in Medien wie YAG (YAG (Yttrium Aluminium Granat) Laser bei 2,9 μm, wie für medizinische Anwendungen erforderlich (z. Augenheilkunde und Zahnheilkunde).^[69][70]

Phosphatglas

Die p₄O₁₀ Cagelike Struktur - der grundlegende Baustein für Phosphatglas

Phosphatglas bildet eine Klasse von optischen Brillen aus Metaphosphate von verschiedenen Metallen. Anstelle des sio₄ Tetraeder In Silikatgläser beobachtet, ist der Baustein für dieses Glas früher Phosphorpentoxid (P₂O₅), was in mindestens vier verschiedenen Formen kristallisiert. Am bekanntesten Polymorph (Siehe Abbildung) umfasst Moleküle von p₄O₁₀.

Phosphatgläser können über Siliciumdioxidgläser für optische Fasern mit einer hohen Konzentration von Dotierung von Seltenerdionen vorteilhaft sein. Eine Mischung aus Fluoridglas und Phosphatglas ist Fluorophosphatglas.^[71][72]

Chalkogenidglas

Das Chalcogene- Die Elemente in Gruppe 16 des Periodensystem-im Speziellen Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (TE) - Mit mehr reagieren elektropositiv Elemente wie z. Silber-, Formen Chalkogenide. Dies sind äußerst vielseitige Verbindungen, da sie kristallin oder amorph, metallisch oder halbleitend sein können und Leiter von Ionen oder Elektronen. Glas mit Chalkogeniden Kann verwendet werden, um Fasern für die Ferninfrarotübertragung herzustellen.

Verfahren

Preform

Darstellung des modifizierten chemischen Dampfabscheidungsprozesses (Innen-) Prozess

Standard-optische Fasern werden hergestellt, indem zuerst ein "Preform" mit einem sorgfältig kontrollierten Brechungsindexprofil "Preform" und dann die Vorformung der langen, dünnen optischen Faser "gezogen" wird. Das Vorformpunkt wird üblicherweise von drei hergestellt chemische Gasphasenabscheidung Methoden: Innere Dampfabscheidung, Außendampfablagerung, und Dampf axiale Ablagerung.^[73]

Mit Innere DampfabscheidungDas Vorform Drehbank. Gase wie Siliziumtetrachlorid (Sicl₄) oder Germanium Tetrachlorid (Gecl₄) werden injiziert Sauerstoff Am Ende der Röhre. Die Gase werden dann mittels eines externen Wasserstoffbrenners erhitzt, was die Temperatur des Gases auf 1.900 erhöhtK (1.600 ° C, 3.000 ° F), wobei die Tetrachloride mit Sauerstoff zu produzieren können Kieselsäure oder Germania (Germanium -Dioxid) Partikel. Wenn die Reaktionsbedingungen ausgewählt werden, damit diese Reaktion in der Gasphase während des Röhrchenvolumens auftritt, wird diese Technik im Gegensatz zu früheren Techniken, bei denen die Reaktion nur auf der Glasoberfläche auftrat, genannt Modifizierte chemische Dampfabscheidung (MCVD).

Die Oxidpartikel agglomerieren dann große Partikelketten, die anschließend die Wände des Rohrs als Ruß ablegen. Die Ablagerung ist auf den großen Temperaturunterschied zwischen dem Gaskern und der Wand zurückzuführen, wodurch das Gas die Partikel nach außen drückt (dies ist als bekannt als als Thermophorese). Die Taschenlampe wird dann über die Länge des Rohrs nach oben und unten durchquert, um das Material gleichmäßig abzuscheiden. Nachdem die Fackel das Ende des Rohrs erreicht hat, wird sie dann zum Beginn des Rohrs zurückgebracht und die abgelagerten Partikel werden dann geschmolzen, um eine feste Schicht zu bilden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine ausreichende Menge an Material abgelagert wurde. Für jede Schicht kann die Zusammensetzung durch Variation der Gaszusammensetzung modifiziert werden, was zu einer präzisen Kontrolle der optischen Eigenschaften der fertigen Faser führt.

In äußerer Dampfablagerung oder Dampf -axialer Ablagerung wird das Glas gebildet durch Flammenhydrolyse, eine Reaktion, bei der Siliziumtetrachlorid und Germanium -Tetrachlorid durch Reaktion mit Wasser (H) oxidiert werden₂O) in einem Oxyhydrogen Flamme. Bei Außendampfablagerung wird das Glas auf einen festen Stab abgelagert, der vor weiteren Verarbeitung entfernt wird. In Dampf axiale Ablagerung, kurz Samenstange wird verwendet, und ein poröses Vorformpunkt, dessen Länge nicht durch die Größe des Quellstabes begrenzt ist, wird am Ende aufgebaut. Das poröse Vorformpunkt wird durch Erhitzen auf 1,800 K (1.500 ° C, 2.800 ° F) zu einem transparenten, festen Vorformpunkt konsolidiert.

Querschnitt einer Faser, die aus einem D-förmigen gezogen wurde Preform

Typische Kommunikationsfaser verwendet ein kreisförmiges Preform. Für einige Anwendungen wie z. Doppelte Fasern Eine andere Form wird bevorzugt.^[74] Im Faserlaser Basierend auf Doppelfaser verbessert eine asymmetrische Form die Füllfaktor zum Laserpumpen.

Aufgrund der Oberflächenspannung wird die Form während des Zeichnungsprozesses geglättet, und die Form der resultierenden Faser reproduziert die scharfen Kanten der Vorform nicht. Dennoch ist ein sorgfältiges Polieren der Vorformpunkte wichtig, da alle Defekte der Vorformoberfläche die optischen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden Faser beeinflussen. Insbesondere die in der Figur gezeigte Preform für die Testfaser war nicht gut poliert, und Risse sind mit dem Konfokalen zu sehen Optisches Mikroskop.

Zeichnung

Das Preform, unabhängig von der Konstruktion, befindet sich in ein Gerät, das als Zeichenturm bezeichnet wird und die Vorformpunktspitze erhitzt und die optische Faser als Schnur herausgezogen wird. Durch Messen der resultierenden Faserbreite kann die Spannung auf der Faser gesteuert werden, um die Faserdicke aufrechtzuerhalten.

Beschichtungen

Das Licht wird durch eine optische Verkleidung mit einem niedrigeren Kern der Faser durch eine optische Verkleidung geführt Brechungsindex Das fängt das Licht im Kern durch totale interne Reflexion.

Die Verkleidung wird von einem Puffer beschichtet, der ihn vor Feuchtigkeit und physischer Schädigung schützt.^[62] Die Pufferbeschichtung wird von der Faser für die Beendigung oder Spleißung abgezogen. Diese Beschichtungen sind UV-gehärtetes Urethan-Acrylatverbund oder Polyimid Materialien, die während des Zeichnungsvorgangs an der Außenseite der Faser angewendet werden. Die Beschichtungen schützen die sehr empfindlichen Glasfaserstränge - über die Größe eines menschlichen Haares - und ermöglichen es ihm, die Strenge des Herstellers, des Proof -Tests, der Verkabelung und der Installation zu überleben.

Die heutigen Glasfaser-Ziehprozesse verwenden einen zweischichtigen Beschichtungsansatz. Eine innere Primärbeschichtung soll als Stoßdämpfer fungieren, um die durch Mikrobeln verursachte Abschwächung zu minimieren. Eine äußere Sekundärbeschichtung schützt die Primärbeschichtung vor mechanischen Schäden und wirkt als Barriere für Seitenkräfte und kann gefärbt werden, um Stränge in gebündelten Kabelkonstruktionen zu unterscheiden.

Diese Glasfaserschichtschichten werden während der Faserablosung bei Geschwindigkeiten aufgetragen, die sich 100 Kilometer pro Stunde nähern. Glasfaserbeschichtungen werden unter Verwendung einer von zwei Methoden angewendet: Nassentrocken und nass auf. In Wet-on-Drogen durchläuft die Faser eine primäre Beschichtungsanwendung, die dann geheilt wird-dann durch die anschließende sekundäre Beschichtungsanwendung, die anschließend geheilt wird. In Wet-on-Wet durchläuft die Faser sowohl die Primär- als auch die sekundären Beschichtungsanwendungen und geht dann zur UV-Heilung.

Glasfaserbeschichtungen werden in konzentrischen Schichten aufgetragen, um eine Beschädigung der Faser während der Zeichnungsanwendung zu verhindern und die Faserfestigkeit und den Mikrobendwiderstand zu maximieren. Bei ungleich beschichteten Fasern werden ungleichmäßige Kräfte auftreten, wenn sich die Beschichtung ausdehnt oder sich zusammenzieht, und ist anfällig für eine stärkere Signalschwächung. Bei ordnungsgemäßen Zeichnungs- und Beschichtungsprozessen sind die Beschichtungen rund um die Faser, kontinuierlich über die Länge der Anwendung und haben eine konstante Dicke.

Die Dicke der Beschichtung wird bei der Berechnung der Spannung berücksichtigt, die die Faser unter verschiedenen Bendkonfigurationen erfährt.^[75] Wenn eine beschichtete Faser um einen Dorn gewickelt ist, wird der von der Faser erlebte Stress von gegeben

${\ displaystyle \ sigma = e {d_ {f} \ Over d_ {m}+d_ {c}}}$,

wo E ist die Faser Elastizitätsmodul, d_m ist der Durchmesser des Dorns, d_f ist der Durchmesser der Verkleidung und d_c ist der Durchmesser der Beschichtung.

In einer Zwei-Punkte-Biegerkonfiguration wird eine beschichtete Faser in einer U-Form gebogen und zwischen den Rillen zweier Frontplatten platziert, die zusammengebracht werden, bis die Faser bricht. Die Spannung in der Faser in dieser Konfiguration ist gegeben

${\ displayStyle \ sigma = 1.198e {d_ {f} \ über D-d_ {c}}}$,

wo d ist der Abstand zwischen den Frontplatten. Der Koeffizient 1.198 ist eine geometrische Konstante, die dieser Konfiguration zugeordnet ist.

Faserbeschichtungen schützen die Glasfasern vor Kratzern, die zu einer Festigkeitsverschlechterung führen könnten. Die Kombination von Feuchtigkeit und Kratzern beschleunigt die Alterung und Verschlechterung der Faserfestigkeit. Wenn die Ballaststoffe über einen langen Zeitraum geringer Belastungen ausgesetzt sind, kann Faserermüdung auftreten. Im Laufe der Zeit oder unter extremen Bedingungen verbinden sich diese Faktoren zu mikroskopischen Mängel in der Glasfaser, die sich ausbreiten, was letztendlich zu einem Faserversagen führen kann.

Drei Schlüsselmerkmale von Glasfaserwellenleitern können durch Umgebungsbedingungen beeinflusst werden: Stärke, Abschwächung und Resistenz gegen durch Mikrobeln verursachte Verluste. Extern Glasfaser-Kabel Jacken und Pufferrohre schützen Glasfaser vor Umgebungsbedingungen, die die Leistung der Faser und die langfristige Haltbarkeit beeinflussen können. Innen sorgen Beschichtungen sicher, dass die Zuverlässigkeit des zu befindlichen Signals und zur Minimierung der Abschwächung aufgrund von Mikroben hilft.

Kabelkonstruktion

Ein Glasfaser-Kabel

In praktischen Fasern wird die Verkleidung normalerweise mit einem schwierigen beschichtet Harz Beschichtung und zusätzlich Puffer Schicht, die weiter von a umgeben sein kann Jacke Schicht, normalerweise Kunststoff. Diese Schichten verleihen der Faser Stärke, tragen jedoch nicht zu den Eigenschaften der optischen Wellenführer bei. Starren Faserbaugruppen setzen manchmal hellabsorbierendes ("dunkler") Glas zwischen den Fasern, um zu verhindern, dass Licht aus einer Faser ausgeht. Dies reduziert sich Übersprechen zwischen den Fasern oder reduziert Fackel In Faserbündel -Bildgebungsanwendungen.^[76][77]

Moderne Kabel sind in einer Vielzahl von Hülsen und Rüstung erhältlich, die für Anwendungen wie direkter Bestattung in Gräben, Hochspannungsisolation, doppelte Verwendung als Stromleitungen, entwickelt wurden, als Stromleitungen,^{[78][Fehlgeschlagene Überprüfung]} Installation in Leitungen, Peitschen der Luftstangen, U -Boot -Installation und Insertion in asphaltierte Straßen. Mehrfaserkabel verwendet normalerweise farbige Beschichtungen und/oder Puffer, um jeden Strang zu identifizieren. Die Kosten für kleine Faser-Zählern-Stabkabel sind aufgrund der hohen Nachfrage nach stark gesunken Faser zu Hause (Ftth) Installationen in Japan und Südkorea.

Einige Glasfaser -Kabelversionen werden mit verstärkt mit Aramide Garne oder Glasgarne als Intermediary Stärke -Mitglied. In kommerzieller Hinsicht ist die Verwendung der Glasgarne kostengünstiger, während die mechanische Haltbarkeit des Kabels nicht verlor. Glasgarne schützen auch den Kabelkern vor Nagetieren und Termiten.

Praktische Probleme

Installation

Faserkabel kann sehr flexibel sein, aber der traditionelle Verlust der Faser steigt stark an, wenn die Faser mit einem Radius kleiner als 30 mm verbogen ist. Dies schafft ein Problem, wenn das Kabel um Ecken gebeugt oder um eine Spule verwundet ist und macht und macht Fttx Installationen komplizierter. "Biegere Fasern", die auf eine einfachere Installation in häuslichen Umgebungen abzielt, wurden als ITU-T standardisiert G.657. Diese Art von Faser kann mit einem Radius von nur 7,5 mm ohne nachteilige Auswirkungen gebeugt werden. Es wurden noch biegsamere Fasern entwickelt.^[79] Biegbare Ballaststoffe können auch gegen Faserhacking resistent sein, bei dem das Signal in einer Faser heimlich überwacht wird, indem die Faser biegen und die Leckage nachgewiesen werden.^[80]

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Kabels ist die Fähigkeit des Kabels, horizontal angewandte Kraft zu widerstehen. Es wird technisch als maximale Zugfestigkeit bezeichnet, die definiert, wie viel Kraft während der Installationszeit auf das Kabel angewendet werden kann.

Kündigung und Spleißen

St. Anschlüsse an Multi-Mode-Faser

Optische Fasern werden von terminalen Geräten durch verbunden Glasfaseranschlüsse. Diese Anschlüsse sind normalerweise von einem Standardtyp wie z. Fc, SC, St, LC, Mtrj, MPO oder SMA. Optische Fasern können durch Steckverbinder oder dauerhaft von verbunden sein Spleißendas heißt, zwei Fasern zusammenzuschließen, um einen kontinuierlichen optischen Wellenleiter zu bilden. Die allgemein anerkannte Spleißmethode ist Bogenfusionspleißen, was die Faser endet mit einem elektrischer Bogen. Für schnellere Befestigungsjobs wird ein „mechanischer Spleiß“ verwendet.

Das Spleißen des Fusion erfolgt mit einem spezialisierten Instrument. Die Faserenden werden zunächst ihre Schutzpolymerbeschichtung (sowie die stabilere äußere Jacke, falls vorhanden) beraubt. Die Enden sind gespalten (Schnitt) mit einem Präzisionsspiegel, um sie senkrecht zu machen, und werden in Spezialhalter im Fusion Splicer untergebracht. Der Spleiß wird normalerweise über einen vergrößerten Betrachtungsbildschirm inspiziert, um die Spalten vor und nach dem Spleiß zu überprüfen. Der Splicer verwendet kleine Motoren, um die Endgesichter miteinander auszurichten, und gibt einen kleinen Funken dazwischen aus Elektroden in der Lücke, um Staub und Feuchtigkeit abzubrennen. Dann erzeugt der Splicer einen größeren Funken, der die Temperatur über dem erhöht Schmelzpunkt des Glass, die die Enden dauerhaft verschmelzen. Die Position und Energie des Funkens werden sorgfältig kontrolliert, so dass sich der geschmolzene Kern und die Verkleidung nicht vermischen, und dies minimiert den optischen Verlust. Eine Schätzung des Spleißverlusts wird vom Spliker gemessen, indem Licht durch die Verkleidung auf einer Seite geleitet und das Licht gemessen wird, das von der Verkleidung auf der anderen Seite austritt. Ein Spleißverlust unter 0,1 dB ist typisch. Die Komplexität dieses Prozesses macht das Spleißen von Fasern viel schwieriger als Kupferdraht.

Eine Luftballe -Faserspleißgehäuse, die während der Installation gesenkt wird. Die einzelnen Fasern werden im Gehege geschmückt und gelagert

Mechanische Faserspleiße sind so schneller und einfacher zu installieren. Es besteht jedoch immer noch erforderlich, abzuziehen, sorgfältig zu reinigen und präzise zu spalten. Die Faserenden sind ausgerichtet und durch eine präzisionsgezogene Hülse zusammengehalten, oft mit einem klaren Index-Matching-Gel Dies verbessert die Übertragung von Licht über das Gelenk. Solche Gelenke haben typischerweise einen höheren optischen Verlust und sind weniger robust als Fusion -Spleiße, insbesondere wenn das Gel verwendet wird. Alle Spleißtechniken umfassen die Installation eines Gehäuses, das den Spleiß schützt.

Fasern werden in Anschlüssen beendet, die die Faser genau und sicher enden. Ein faseroptischer Stecker ist ein starres zylindrisches Fass, der von einer Hülse umgeben ist, die den Lauf in seiner Paarungshöhle hält. Der Paarungsmechanismus kann sein Drücken und Klicken, drehen und richten (Bajonetthalterung), oder reinschrauben (Gewinde). Der Lauf kann sich in der Regel innerhalb der Ärmel bewegen, und kann einen Schlüssel haben, der verhindert, dass der Lauf und die Faser bei der Verbindung der Steckverbinder rotieren.

Ein typischer Stecker wird durch Vorbereitung des Faserends installiert und in die Rückseite des Steckerkörpers eingefügt. Schnelleinsatzkleber wird normalerweise verwendet, um die Faser sicher zu halten, und a Belastung ist nach hinten befestigt. Sobald der Klebstoff setzt, wird das Ende der Faser zu einem Spiegelfinish poliert. Abhängig von der Art der Faser und der Anwendung werden verschiedene polnische Profile verwendet. Bei Einzelmodusfasern werden Faserenden normalerweise mit einer leichten Krümmung poliert, die die gepaarteten Steckverbinder nur an ihren Kernen berühren lässt. Dies wird a genannt Physischer Kontakt (PC) Politur. Die gekrümmte Oberfläche kann in einem Winkel poliert werden, um eine zu machen abgewinkelter physischer Kontakt (APC) Verbindung. Solche Verbindungen haben einen höheren Verlust als PC -Verbindungen, aber stark reduziertem Rückenreflexion, da Licht, das von den abgewinkelten Oberflächenlecks aus dem Faserkern herauskommt, reflektiert. Der resultierende Verlust der Signalstärke wird genannt Lückenverlust. APC -Faserenden haben einen niedrigen Rückenreflexion, auch wenn sie getrennt sind.

In den 1990er Jahren war die Beendigung von Glasfaserkabeln arbeitsintensiv. Die Anzahl der Teile pro Stecker, das Polieren der Fasern und die Notwendigkeit, das Epoxid in jedem Anschluss zu backen, machte die Beendigung von Glasfaserkabeln schwierig. Heutzutage sind viele Connector-Typen auf dem Markt, die leichtere, arbeitsintensive Kabelgüter bieten. Einige der beliebtesten Anschlüsse sind in der Fabrik vorpoliert und enthalten ein Gel in den Stecker. Diese beiden Schritte sparen Geld für die Arbeit, insbesondere bei großen Projekten. EIN spalten wird mit einer erforderlichen Länge hergestellt, um so nah am polierten Stück im Stecker zu kommen. Das Gel umgibt den Punkt, an dem sich die beiden Teile im Stecker treffen, um sehr wenig Lichtverlust zu erzielen. Die langfristige Leistung des Gels ist eine Überlegung von Designs. Bei den anspruchsvollsten Installationen ist fabrikspolierte Zöpfen mit ausreichender Länge, um das erste Fusion-Spleißgehäuse zu erreichen, normalerweise der sicherste Ansatz, der die Arbeit vor Ort minimiert.

Freiraumkupplung

Es ist oft notwendig, eine optische Faser mit einer anderen optischen Faser oder mit einer auszurichten Optoelektronisches Gerät so wie ein Leuchtdiode, a Laserdiode, oder ein Modulator. Dies kann entweder sorgfältig die Faser ausrichten und in Kontakt mit dem Gerät platzieren oder a verwenden Linse Um eine Luftspalt über einen Luftspalt zu ermöglichen. Typischerweise ist die Größe des Fasermodus viel größer als die Größe des Modus in einer Laserdiode oder a SILICON OPTICAL CHIP. In diesem Fall wird eine sich verjüngende oder gelegte Faser verwendet, um der Feldverteilung des Fasermodus mit der des anderen Elements zu entsprechen. Das Objektiv am Ende der Faser kann mit Polieren, Laserschneiden gebildet werden^[81] oder Fusionspleißen.

In einer Laborumgebung wird ein Backfaserende mit einem Faser -Startsystem gekoppelt, das a verwendet Mikroskopobjektivlinse das Licht auf einen schönen Punkt zu konzentrieren. Eine Präzision Übersetzungsstufe (Mikropositionierungstabelle) wird verwendet, um das Objektiv, die Faser oder das Gerät zu bewegen, damit die Kopplungseffizienz optimiert werden kann. Fasern mit einem Stecker am Ende machen diesen Prozess viel einfacher: Der Anschluss wird einfach in einen vorbereiteten faseroptischen Kollimator angeschlossen, der ein Objektiv enthält, das entweder genau auf die Faser positioniert ist oder einstellbar ist. Um die beste Injektionseffizienz in eine einzelne Modefaser zu erreichen, muss die Richtung, Position, Größe und Divergenz des Strahls optimiert werden. Bei guten Strahlen können 70 bis 90% der Kopplungseffizienz erreicht werden.

Mit richtig polierten Einzelmodusfasern hat der emittierte Strahl eine fast perfekte Gaußsche Form-selbst im Fernfeld-, wenn eine gute Linse verwendet wird. Das Objektiv muss groß genug sein, um die volle numerische Blende der Faser zu unterstützen, und darf nicht einführen Aberrationen im Strahl. Asphärische Objektive werden normalerweise verwendet.

Fasersicherung

Bei hohen optischen Intensitäten über 2 Megawatt pro Quadratzentimeter, wenn eine Faser einem Schock ausgesetzt oder sonst plötzlich beschädigt wird, a Fasersicherung kann auftreten. Die Reflexion des Schadens verdampft die Faser unmittelbar vor dem Bruch, und dieser neue Defekt bleibt reflektierend, so dass sich der Schaden mit 1–3 Metern pro Sekunde zum Sender zum Sender ausbreitet (4–11 km/h, 2–8 Meilen pro Stunde).^[82][83] Das Offene Faserkontrolle System, das sichert Laseraugensicherheit Im Falle einer gebrochenen Faser kann auch die Ausbreitung der Fasersicherung effektiv eingestellt werden.^[84] In Situationen wie Unterwasserkabeln, in denen hohe Stromniveaus ohne Open -Faser -Steuerung verwendet werden können, kann eine Schutzvorrichtung für die Fasersicherung am Sender die Schaltung durchbrechen, um Schäden am Minimum zu halten.

Chromatische Dispersion

Der Brechungsindex von Fasern variiert leicht mit der Lichtfrequenz, und Lichtquellen sind nicht perfekt monochromatisch. Die Modulation der Lichtquelle zum Senden eines Signals erweitert auch das Frequenzband des übertragenen Lichts geringfügig. Dies hat den Einfluss, dass über große Entfernungen und bei hohen Modulationsgeschwindigkeiten die unterschiedlichen Lichtfrequenzen unterschiedliche Zeiten dauern können, um den Empfänger zu erreichen, wodurch das Signal letztendlich unmöglich ist, zu erkennen und zusätzliche Repeater zu erfordern.^[85] Dieses Problem kann auf verschiedene Weise überwunden werden, einschließlich der Verwendung einer relativ kurzen Faserlänge, die den entgegengesetzten Brechungsindex -Gradienten aufweist.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weitere Lektüre

Externe Links

• Die Glasfaser -Assoziation
• "Fasern", Artikel in RP Photonics ' Enzyklopädie der Laserphysik und -technologie
• "Glasfasertechnologien", Mercury Communications Ltd, August 1992.
• "Photonik und die Zukunft von Ballaststoffen", Mercury Communications Ltd, März 1993.
• "Glasfaser -Tutorial"Bildungsstandort aus ARC -Elektronik
• MIT Video Lecture: Verständnis von Lasern und Glasfaser
• Grundlagen der Photonik: Modul über optische Wellenleiter und Fasern
• Webdemo für chromatische Dispersion am Institut für Telekommunicatons der Universität von Stuttgart