Tutorial: Passive Faseroptik

Dies ist Teil 6 eines Tutorials über passive Faseroptik von Dr. Paschotta.

Teil 6: Faserverbindungen

Arten von Faserverbindungen

Optische Fasern können so miteinander verbunden werden, dass Licht effizient von einer Faser in eine andere übertragen wird. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• Mechanisches Spleißen bedeutet, dass zwei Faserenden mit mechanischen Mitteln fest zusammengehalten werden. Das geschieht gewöhnlich für dauerhafte Verbindungen, doch lässt sich ein solcher Spleiß unter Umständen wieder zerlegen, ohne die Faserenden zu verderben.
• Eine andere Technik ist das Fusionsspleißen, bei dem die Fasern miteinander verschmolzen werden, z. B. mithilfe eines elektrischen Lichtbogens. Das führt zu besonders geringer Einfügedämpfung und hoher Rückflussdämpfung, sofern die beiden Faserkerne ähnlich sind.
• Für nicht dauerhafte Verbindungen kann man auch Steckverbinder verwenden (siehe unten).

Koppelverluste unvollkommener Faserverbindungen

Eine häufig gestellte Frage ist, wie groß die Koppelverluste z. B. an einem mechanischen Spleiß sein werden, wenn irgendeine Unvollkommenheit vorliegt, zum Beispiel

• ein paralleler Versatz der Faserkerne,
• eine Abweichung zwischen den Richtungen der Faserachsen,
• eine Fehlanpassung der Kerngrößen oder
• ein Luftspalt zwischen den Faserenden.

Es zeigt sich, dass einige der Antworten für einmodige Fasern und für Multimode-Fasern recht unterschiedlich ausfallen.

Einmodige Fasern

Für einmodige Fasern lassen sich die Koppelverluste relativ leicht berechnen. Im Wesentlichen erzeugt die geführte Mode der ersten Faser (des Eingangs) in der zweiten Faser ein Amplitudenprofil, das zum Beispiel wegen eines unvollkommenen Spleißes etwas versetzt sein kann. Man kann die Koppeleffizienz nun als Überlappintegral zwischen diesem Amplitudenprofil und dem der geführten Mode der zweiten Faser berechnen. (Eine numerische Strahlausbreitungsrechnung ist dafür nicht erforderlich.)

Für den Fall gaußscher Modenprofile mit unterschiedlichen Modenradien und einem parallelen Versatz kann man die Gleichung verwenden, die wir bereits in Teil 3 besprochen haben:

$$\eta = \frac{4w_1^2w_2^2}{{\left( w_1^2 + w_2^2 \right)}^2}\exp \left( { - \frac{2{\left( \Delta x \right)}^2}{w_1^2 + w_2^2}} \right)$$

Eine ähnliche Gleichung lässt sich für eine Winkelfehlanpassung verwenden:

$$\eta = \exp \left[ { - {\left( \frac{\pi \;\Delta \theta \;w}{\lambda /n} \right)}^2} \right]$$

Das zeigt, dass die Winkelausrichtung bei einmodigen Fasern mit großer Modenfläche kritischer ist. Bei Standard-Modenflächen ist die Winkelausrichtung gewöhnlich leichter zu erreichen als die Positionsausrichtung.

Die folgenden Abbildungen beruhen auf den obigen Gleichungen.

Dies wurde für verschiedene Verhältnisse des Modenradius zur Wellenlänge berechnet.

Bei schräg gebrochenen Faserenden ist oft von Interesse, wie groß der Bruchwinkel sein muss, um eine nennenswerte Reflexion in die Kernmode zu vermeiden. Die Gleichung lässt sich dafür gut verwenden; man muss lediglich bedenken, dass die Winkelabweichung des reflektierten Strahls doppelt so groß ist wie der Bruchwinkel. Als Beispiel benötigt eine Faser mit einer Standard-Modenfläche von 100 μm², also mit ($w$) = 5,64 μm, bei 1,5 μm Wellenlänge einen Bruchwinkel von mindestens 10,1°, damit die Rückreflexion unter 10⁻⁴ liegt, also mindestens 40 dB Rückflussdämpfung erreicht werden. Für eine Faser mit großer Modenfläche würde ein viel kleinerer Winkel genügen. Beachten Sie, dass längere Wellenlängen größere Bruchwinkel erfordern, da sie zu einer größeren Strahldivergenz führen.

Beachten Sie jedoch, dass die obigen Gleichungen nur für Moden mit gaußschen Profilen gelten. Im Bereich starker Unterdrückung der Rückreflexion an einem schrägen Faserende reagieren die Ergebnisse allerdings empfindlich auf Abweichungen von einem gaußschen Modenprofil. Dort muss man die Rückreflexion numerisch berechnen, z. B. mit unserer Software RP Fiber Calculator PRO auf der Basis berechneter Modenprofile.

Es ist interessant, einige weitere Einzelheiten zu betrachten. Spielt es zum Beispiel für die Verluste eine Rolle, aus welcher Faser das Eingangslicht kommt, wenn die Modengrößen unterschiedlich sind? Nach der obigen Gleichung nicht. Das trifft zu, auch wenn es überraschen mag: Man könnte sich vorstellen, dass der Übergang von einem kleineren Kern zu einem größeren geringere Verluste verursacht als in der umgekehrten Richtung. Beachten Sie jedoch, dass die kleinere Mode eine größere Strahldivergenz hat, also eine breitere Feldverteilung im räumlichen Fourierraum, und das ist zu viel für die andere Faser mit der größeren Mode. Der am Spleiß verlorene Leistungsanteil hängt also tatsächlich nicht von der Richtung ab; nur das verlorene Licht verteilt sich anders über die Mantelmoden.

Man könnte sich vorstellen, dass man beim Übergang von einer Faser mit kleinerer Mode zu einer mit größerer Mode die Koppelverluste vermeiden könnte, wenn die zweite Faser trotz des größeren Kerns dieselbe NA hat. (Sie könnte immer noch einmodig sein, wenn die V-Zahl niedrig genug ist.) Schließlich sollte der Winkelbereich nur durch die NA begrenzt sein. Diese Erwartung ist jedoch falsch; eine Fehlanpassung der Modengrößen verursacht unvermeidlich Koppelverluste, wenn beide Fasern einmodig sind.

Multimode-Fasern

Bei Multimode-Fasern lassen sich die Verluste nicht als eine einzige Zahl angeben: Sie sind im Allgemeinen modenabhängig. Das bedeutet, dass bei beliebigen Eingangslichtfeldern der resultierende Gesamtverlust davon abhängt, wie die Leistung über die Moden verteilt ist. Man kann sich zum Beispiel vorstellen, dass Licht mit einem Laser nur in Moden niedriger Ordnung eingekoppelt wird und dass dies zu geringen Spleißverlusten führt. Biegt man die Faser dann vor dem Spleiß stark, so kann das Licht in Moden höherer Ordnung umverteilt werden, und die Spleißverluste werden größer.

Betrachten wir als Beispiel für Koppelverluste einen perfekten mechanischen Spleiß zwischen zwei Stufenindex-Multimode-Fasern mit gleicher NA von 0,2 (berechnet aus der maximalen Indexdifferenz), wobei die erste Faser jedoch einen Kerndurchmesser von 62,5 μm hat und die zweite nur 50 μm. Wir können jede Mode der ersten Faser berechnen, die Betragsquadrate ihrer Überlappintegrale mit allen Moden der zweiten Faser aufsummieren und auf diese Weise ihren Koppelverlust erhalten. (Alternativ kann man eine numerisch simulierte Strahlausbreitung verwenden, was aber mehr Rechenzeit kostet und oft weniger genau ist.) Abbildung 2 zeigt die Verluste über dem ($m$)-Wert der Moden. Diese Verluste sind am größten für niedrige ($m$)-, aber hohe ($l$)-Werte.

Die waagerechte Koordinate gibt den ($m$)-Wert jeder Mode wieder, während die Farbe von ($l$) abhängt.

Man mag überrascht sein, dass der Koppelverlust für die LP_14,3-Mode so hoch ist – etwa 10 dB, weit mehr, als es dem Verhältnis der Modenflächen entspricht (1,94 dB). Diese Mode hat jedoch einen großen Teil ihrer Leistung außerhalb des Radius von 25 μm, und zusätzlich reicht ihre Intensitätsverteilung im Fourierraum recht weit hinaus. Das berechnete Ergebnis wurde mit einer Rechnung auf der Basis numerischer Strahlausbreitung bestätigt, was eine recht unabhängige Kontrolle darstellt.

Vertauscht man die beiden Fasern, lässt also das Eingangslicht aus dem kleineren Kern kommen, so werden die Koppelverluste für alle Moden viel kleiner:

Bei Multimode-Fasern sind die Koppelverluste also – anders als bei einmodigen Fasern (siehe oben) – wesentlich kleiner, wenn das Licht aus der Faser mit dem kleineren Kern kommt. Für manche Moden sind diese Verluste jedoch immer noch erheblich – zum Beispiel 2,8 dB für die LP₅₅-Mode. Eine numerische Strahlausbreitungsrechnung hat dieses Ergebnis bestätigt. Sie zeigt, dass sich das Feld, wenn es in die Faser mit dem größeren Kern gelangt, aufzuweiten beginnt und dass diese Aufweitung später an der neuen Grenze zwischen Kern und Mantel nicht vollständig gestoppt wird. Das zeigt, dass sich nicht jede Feldverteilung, die innerhalb des Kerns liegt und einen begrenzten Winkelinhalt hat, gut durch die geführten Moden darstellen lässt.

Solche Effekte sind bei Fasern mit vielen Moden weniger ausgeprägt. Im Grunde muss man sich bewusst sein, dass die Moden des kleineren Kerns einen mathematischen Raum aufspannen, der kein Unterraum desjenigen für einen größeren Kern ist.

Auswirkungen von Luftspalten

Bei mechanischen Spleißen und bei Verbindungen auf der Basis von Faserkopplern kann sich zwischen den beiden Endflächen ein winziger Luftspalt bilden. Man könnte erwarten, dass dies über die Fresnel-Reflexionen an den Endflächen zu einer erheblichen Einfügedämpfung und einer niedrigen Rückflussdämpfung führt. Das trifft jedoch nicht zu, wenn die Größe des Luftspalts sehr viel kleiner ist als die optische Wellenlänge. In dieser Situation besteht zwischen den beiden Reflexionen nahezu eine Phasenverschiebung von ($\pi$), so dass sie sich durch destruktive Interferenz weitgehend gegenseitig aufheben.

Selbst bei etwas größeren Luftspalten liegt der Abstand zwischen den Faserendflächen gewöhnlich deutlich unter der Rayleigh-Länge, so dass auf dieser Weglänge keine nennenswerte Wellenfrontkrümmung auftreten kann. Man kann dann den gesamten Transmissionsgrad und Reflexionsgrad näherungsweise mit einfachen Formeln für Fabry–Pérot-Interferometer berechnen. Abbildung 4 zeigt Ergebnisse für Quarzglasfasern.

Im ungünstigsten Fall erhält man 0,6 dB Einfügedämpfung. Für weniger als 0,1 dB sollte die Breite des Luftspalts kleiner sein als 0,07 Wellenlängen – zum Beispiel 105 nm bei einer Wellenlänge von 1,5 μm. Ließe sich ein Abstand nahe einer halben oder einer ganzen Wellenlänge stabil halten, so wären damit ebenfalls sehr geringe Koppelverluste möglich.

Faser-Steckverbinder

Faser-Steckverbinder werden oft an den Enden von faseroptischen Kabeln eingesetzt, um nicht dauerhafte Verbindungen zwischen fasergekoppelten Geräten herzustellen. Im Prinzip werden sie in ähnlicher Weise verwendet wie elektrische Steckverbinder. Ihre Verwendung erfordert allerdings typischerweise etwas mehr Sorgfalt, weil Faserenden relativ empfindlich sind und weil Faser-Steckverbinder nicht immer leicht an einem Faserende anzubringen sind.

Beachten Sie, dass schon ein winziges Staubteilchen auf dem Faserkern erhebliche Verluste verursachen kann. (Deshalb schützt man einen Faser-Steckverbinder oft mit einer Staubschutzkappe, solange er nicht eingesteckt ist.) Außerdem können kleine Unvollkommenheiten eines Faserendes zu einem kleinen Luftspalt zwischen den Faserendflächen führen, der Reflexionsverluste verursacht (siehe oben).

Es wurde eine große Vielfalt von Faser-Steckverbindern entwickelt, z. B. für Anwendungen in der optischen Nachrichtentechnik. Einige gebräuchliche Typen sind ST-, FC-, SC- und LC-Steckverbinder. Die verschiedenen Steckverbindertypen unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht, z. B. in Kosten, Größe, Bedienkomfort, Einfügedämpfung und Rückflussdämpfung, geeigneter Fasergröße, zulässiger Zahl von Steckzyklen, Eignung für Multimode-Fasern, einmodige Fasern und polarisationserhaltende Fasern sowie in diversen weiteren Einzelheiten.

Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem Enzyklopädieartikel über Faser-Steckverbinder. Auch Teil 13 über Faserzubehör und Werkzeuge kann hilfreich sein.

Faser-Pigtails

Verschiedene optische Komponenten wie Faserkoppler und Laserdioden werden oft mit Faser-“Pigtails” verkauft. Das bedeutet, dass ein Stück Faser aus dem Gerät heraushängt, das der Anwender an eine andere Faser spleißen oder mit einem Steckverbinder versehen kann.

Man kann auch reine Faser-Pigtails kaufen, also solche ohne optische Komponente. In diesem Fall erhält man an einem Ende einer (typischerweise kurzen) Faser einen Steckverbinder und am anderen Ende nichts. Man kann zum Beispiel das offene Ende in ein Gerät integrieren und sich so die Arbeit sparen, selbst einen Steckverbinder anzubringen. Natürlich könnte man auch ein Verbindungskabel nehmen und es in zwei Pigtails zerschneiden.

Manche Faser-Pigtails haben nur eine Polymer-Pufferschicht, aber keinen dicken Außenmantel wie ein Faser-Patchkabel. Es gibt auch Pigtails mit Außenmantel.

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