Welche verschiedenen Arten von Fasern gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Fasern, darunter Singlemode-Fasern und Multimode-Fasern. Singlemode-Fasern haben einen kleineren Kerndurchmesser und sind für die Übertragung eines einzelnen Lichtmodus ausgelegt, was längere Übertragungsentfernungen und eine höhere Bandbreite ermöglicht. Andererseits haben Multimode-Fasern einen größeren Kerndurchmesser und können mehrere Lichtmoden gleichzeitig übertragen, jedoch über kürzere Entfernungen. Multimode-Glasfaser wird typischerweise für Anwendungen über kürzere Entfernungen wie lokale Netzwerke (LANs) und Rechenzentren verwendet, während Singlemode-Glasfaser für die Telekommunikation über große Entfernungen und die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung verwendet wird.

Singlemode-Faser

Bei einer Singlemode-Faser handelt es sich um einen optischen Fasertyp, der nur für die Übertragung eines einzigen Lichtausbreitungsmodus ausgelegt ist. Es wird häufig in der Ferntelekommunikation, Datenübertragung und Hochgeschwindigkeitsnetzwerkanwendungen eingesetzt. Der Hauptvorteil von Singlemode-Fasern ist ihre Fähigkeit, Signale über größere Entfernungen mit minimalem Signalverlust und minimaler Streuung zu übertragen.

Die verschiedenen Modi der Singlemode-Faser beziehen sich auf die unterschiedlichen Arten, wie sich Licht durch die Faser ausbreiten kann. Der häufigste Modus ist der Grundmodus oder LP01-Modus, bei dem ein einzelner, genau definierter Lichtstrahl durch den Faserkern wandert. Dieser Modus wird für die meisten Fernübertragungsanwendungen verwendet.

Neben dem Grundmodus gibt es auch Modi höherer Ordnung wie LP11, LP21 usw. Bei diesen Modi breiten sich mehrere Lichtstrahlen durch den Faserkern aus, was zu Signalverzerrungen und -verlusten führen kann. Daher ist es wichtig, das Vorhandensein dieser Moden höherer Ordnung in Singlemode-Fasersystemen zu minimieren.

Um einen Singlemode-Betrieb zu erreichen, haben Singlemode-Fasern im Vergleich zu Multimode-Fasern typischerweise einen kleineren Kerndurchmesser. Der Kerndurchmesser beträgt typischerweise etwa 9 Mikrometer, was die Ausbreitung nur der Grundmode ermöglicht und die Moden höherer Ordnung unterdrückt.

In den letzten Jahren wurde auf dem Gebiet der Singlemode-Faser kontinuierlich geforscht und weiterentwickelt, um deren Leistung und Kapazität zu verbessern. Dazu gehören Fortschritte bei Fasermaterialien, Herstellungstechniken und Signalverarbeitungstechnologien. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Bandbreite zu erhöhen, Signalverluste zu reduzieren und die Gesamteffizienz von Singlemode-Glasfasersystemen zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die verschiedenen Modi der Singlemode-Faser auf die unterschiedlichen Arten beziehen, wie sich Licht durch die Faser ausbreiten kann. Der Grundmodus ist der am häufigsten verwendete Modus für die Übertragung über große Entfernungen, während Modi höherer Ordnung zu Signalverzerrungen und -verlusten führen können. Kontinuierliche Forschung und Entwicklung verbessern weiterhin die Leistung und Kapazität von Singlemode-Fasersystemen.

Gradientenindex-Multimode-Faser

Gradientenindex-Multimode-Fasern sind optische Fasern, die die gleichzeitige Ausbreitung mehrerer Lichtmodi ermöglichen. Es wird häufig in Kommunikationssystemen über kurze Entfernungen wie lokalen Netzwerken (LANs) und Rechenzentren eingesetzt. Der Begriff „Gradientenindex“ bezieht sich auf das Brechungsindexprofil der Faser, das von der Mitte zu den Außenkanten allmählich variiert.

Die verschiedenen Fasermoden in Multimode-Fasern mit Gradientenindex können anhand des Pfades klassifiziert werden, den sie bei der Ausbreitung durch die Faser nehmen. Zu den gebräuchlichsten Modi gehören der Modus nullter Ordnung (auch als Grundmodus bezeichnet) und Modi höherer Ordnung. Der Modus nullter Ordnung folgt einem geraden Weg durch den Faserkern, während Modi höherer Ordnung aufgrund des variierenden Brechungsindexprofils komplexere Wege nehmen.

In den letzten Jahren besteht ein wachsendes Interesse an der Erforschung des Potenzials von Moden höherer Ordnung in Multimode-Fasern mit Gradientenindex. Durch die Nutzung dieser Modi höherer Ordnung wollen Forscher die Datenübertragungskapazität von Multimode-Fasern erhöhen und so eine Übertragung mit höherer Bandbreite ermöglichen. Allerdings sind Moden höherer Ordnung anfällig für Modendispersion, was ihre praktische Anwendung einschränken kann.

Um die Modendispersion abzuschwächen, wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, darunter Mode Division Multiplexing (MDM) und modenselektive Koppler. MDM ermöglicht die Verwendung verschiedener Modi als unabhängige Datenkanäle, wodurch die Kapazität der Glasfaser effektiv erhöht wird. Modenselektive Koppler hingegen ermöglichen die selektive Anregung und Manipulation spezifischer Moden innerhalb der Faser.

Insgesamt bieten die verschiedenen Modi der Gradientenindex-Multimode-Faser vielfältige Möglichkeiten zur Erhöhung der Datenübertragungskapazität. Laufende Forschung und Fortschritte im Faserdesign und in den Signalverarbeitungstechniken erforschen weiterhin das Potenzial dieser Modi und ebnen den Weg für verbesserte Multimode-Glasfaserkommunikationssysteme.

Stufenindex-Multimode-Faser

Stufenindex-Multimode-Fasern sind optische Fasern, die üblicherweise für Kommunikationssysteme über kurze Entfernungen verwendet werden. Sie zeichnet sich durch einen größeren Kerndurchmesser im Vergleich zu Singlemode-Fasern aus, wodurch sich mehrere Lichtstrahlen oder Moden gleichzeitig ausbreiten können. Diese verschiedenen Fasermodi können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: Singlemode und Multimode.

1. Singlemode-Faser: Bei Singlemode-Fasern kann sich jeweils nur ein Lichtmodus durch die Faser ausbreiten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kerndurchmesser so weit reduziert wird, dass sich nur ein einziger Lichtstrahl geradlinig ausbreiten kann. Singlemode-Fasern werden aufgrund ihrer geringen Streuung und hohen Bandbreitenkapazität hauptsächlich für Fernkommunikationssysteme verwendet.

2. Multimode-Faser: Multimode-Faser hingegen ermöglicht die gleichzeitige Ausbreitung mehrerer Lichtmodi. Dies wird durch die Vergrößerung des Kerndurchmessers erreicht, wodurch sich eine größere Anzahl von Lichtstrahlen ausbreiten kann. Multimode-Glasfaser wird häufig für Kommunikationssysteme über kurze Entfernungen wie lokale Netzwerke (LANs) und Rechenzentren verwendet.

Innerhalb von Multimode-Fasern gibt es weitere Klassifizierungen basierend auf dem Brechungsindexprofil:

- Stufenindex-Multimode-Faser: Bei Stufenindex-Multimode-Fasern bleibt der Brechungsindex des Kerns in der gesamten Faser konstant, während der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Dadurch entsteht eine scharfe Stufe im Brechungsindexprofil, die dazu führt, dass Lichtstrahlen innerhalb der Faser unterschiedlichen Wegen folgen.

Es ist wichtig zu beachten, dass mit den Fortschritten in der Glasfasertechnologie die Verwendung von Multimode-Fasern in bestimmten Anwendungen zurückgegangen ist. Singlemode-Glasfaser wird heute für Fernkommunikationssysteme bevorzugt, da sie höhere Datenraten und längere Übertragungsentfernungen bietet. Multimode-Glasfaser hat jedoch immer noch ihren Platz in Kommunikationssystemen für kurze Distanzen, wo Kosteneffizienz und einfache Installation wichtige Faktoren sind.

Polarisationserhaltende Faser

Polarisationserhaltende Fasern (PM-Fasern) sind spezielle optische Fasern, die den Polarisationszustand des Lichts bei seiner Ausbreitung durch die Faser aufrechterhalten sollen. Dies wird durch die Steuerung der Doppelbrechung innerhalb der Faser erreicht, wodurch sich die beiden orthogonalen Polarisationszustände mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen können.

Es gibt zwei Hauptfasermodi, die üblicherweise in polarisationserhaltenden Fasern verwendet werden: Singlemode und Multimode.

1. Singlemode-PM-Faser: Dieser Fasertyp unterstützt nur einen geführten Modus bei einer bestimmten Wellenlänge. Es hat eine kleine Kerngröße, typischerweise etwa 5–10 Mikrometer, was eine effiziente Single-Mode-Ausbreitung ermöglicht. Singlemode-PM-Fasern werden häufig in Anwendungen verwendet, die ein hohes Polarisationsauslöschungsverhältnis und einen geringen polarisationsabhängigen Verlust erfordern, wie z. B. faseroptische Gyroskope und interferometrische Sensoren.

2. Multimode-PM-Faser: Im Gegensatz zu Singlemode-Fasern unterstützt Multimode-PM-Faser mehrere geführte Modi. Es hat eine größere Kerngröße, typischerweise etwa 50–100 Mikrometer, was die gleichzeitige Ausbreitung mehrerer Moden ermöglicht. Multimode-PM-Fasern werden häufig in Anwendungen verwendet, die eine hohe Belastbarkeit erfordern, wie z. B. Faserlaser und Verstärker.

In den letzten Jahren gab es Fortschritte bei der Entwicklung von PM-Fasern mit wenigen Moden. Diese Fasern unterstützen eine begrenzte Anzahl geführter Moden, typischerweise zwei oder drei, und haben sich bei Anwendungen wie dem Modenmultiplex, bei dem mehrere Datenströme gleichzeitig über verschiedene Moden der Faser übertragen werden können, als vielversprechend erwiesen.

Insgesamt erfüllen die verschiedenen Modi polarisationserhaltender Fasern spezifische Anforderungen und Anwendungen und reichen von hoher Polarisationsreinheit in Singlemode-Fasern bis hin zu hoher Belastbarkeit in Multimode-Fasern. Die Fortschritte bei Wenigmodenfasern bieten neue Möglichkeiten zur Steigerung der Datenübertragungskapazität und -effizienz in optischen Kommunikationssystemen.