Tutorial: Passive Faseroptik
Autor: Dr. Paschotta
Dieses Tutorial kann als Einführung in die Faseroptik dienen, also zum Erlernen der Grundlagen, hilft aber auch denjenigen, die bereits umfangreiche Erfahrung mit optischen Fasern haben, ihr Verständnis zu vertiefen. Der Schwerpunkt liegt auf der Physik der Wellenausbreitung und ihren technischen Konsequenzen. Wir gehen nicht auf mathematische Details ein, sondern versuchen, ein intuitives Verständnis der Funktionsprinzipien zu vermitteln – oft, indem wir bestimmte Effekte mit numerischen Simulationen demonstrieren. Die Simulations- und Designsoftware RP Fiber Power von RP Photonics ist dafür ein hervorragendes Werkzeug und wurde für dieses Tutorial ausgiebig eingesetzt.
Diese Ressource behandelt passive Fasern – im Gegensatz zu aktiven Fasern, die zusätzlich einen laseraktiven Dotanden enthalten (siehe unser Tutorial über Faserverstärker). Die passive Faseroptik hat ein sehr weites Anwendungsfeld, etwa die optische Nachrichtentechnik (Datenübertragung über faseroptische Strecken und Netzwerke), die Beleuchtung (faseroptische Lichtleitung) und faseroptische Sensoren. Die zentrale Komponente ist immer die optische Faser, die in ein faseroptisches Kabel eingebettet sein kann, manchmal auch in ein Faserbündel. Faser-Patchkabel sind oft mit Steckverbindern versehen, und es gibt diverses weiteres Faserwerkzeug und -zubehör wie Abisolierwerkzeuge, Cleaver und Spleißgeräte.
Klicken Sie auf die Überschriften, um zu den folgenden Teilen des Tutorials zu gelangen:
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Teil 1: Lichtführung in einer Glasfaser
Wie kann Licht in einer Faser geführt werden, mithilfe eines Brechungsindexkontrasts? Wie lässt sich das im Strahlen- oder im Wellenbild beschreiben? |
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Teil 2: Fasermoden
Was sind Fasermoden? Wodurch wird die Zahl der geführten Moden bestimmt? Was sind Kern- und Mantelmoden, und was sind ihre grundlegenden Eigenschaften? Wie und wann können wir die Lichtausbreitung auf der Basis von Moden berechnen, und wo liegen die Grenzen der Modenzerlegung? |
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Teil 3: Einmodige Fasern
Was ist das Kriterium für einmodige Führung? Wie verhält sich Licht in einer einmodigen Faser? Wie hängt die Modengröße von der Kerngröße und der numerischen Apertur ab? Wie berechnet man die Effizienz der Einkopplung von Licht in eine einmodige Faser? |
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Teil 4: Multimode-Fasern
Wodurch wird die Zahl der geführten Moden einer Multimode-Faser bestimmt? Was sind Stufenindex- und Gradientenindexfasern, und wie unterscheiden sie sich hinsichtlich der Intermodendispersion? Warum hängt das Ausgangsstrahlprofil empfindlich von den Einkoppelbedingungen und vom Zustand der Faser ab? Kann man eine Multimode-Faser für einmodige Übertragung nutzen? |
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Teil 5: Faserenden
Wie werden Faserenden abisoliert, gebrochen und poliert? Wie groß muss der Bruchwinkel sein, um Rückreflexe zu unterdrücken? |
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Teil 6: Faserverbindungen
Wie können Fasern miteinander verspleißt oder über Steckverbinder verbunden werden? Welche Koppelverluste entstehen durch eine unvollkommene Ausrichtung? |
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Teil 7: Ausbreitungsverluste
Was sind die Ursachen der Ausbreitungsverluste (Dämpfung) in optischen Fasern? Wo liegt das Verlustoptimum von Quarzglasfasern? Warum weisen einmodige Fasern typischerweise geringere Verluste auf? Was sind Biegeverluste, und welche Designdetails bestimmen den kritischen Biegeradius? |
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Teil 8: Faserkoppler und Splitter
Wie funktioniert ein direktionaler Faserkoppler? Welche Parameter sind für seine Leistung am wichtigsten? Was sind die typischen Anwendungen von Faserkopplern und Splittern? Warum hängt das Teilungsverhältnis stark von der Wellenlänge ab? In welchem Wellenlängenbereich funktioniert ein solcher Koppler? |
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Teil 9: Polarisationsaspekte
Was sind die Ursachen der Doppelbrechung in Fasern? Wie funktionieren Faser-Polarisationssteller und polarisationserhaltende Fasern? Wie baut man polarisationsunempfindliche Faserkomponenten? |
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Teil 10: Chromatische Dispersion von Fasern
Was ist chromatische Dispersion? Wie lässt sich die Wellenleiterdispersion verstehen? Wie ändert sich die Dispersion nahe der Grenzwellenlänge einer Fasermode? Was ist Intermodendispersion, und wie wirkt sich die chromatische Dispersion auf faseroptische Strecken aus? |
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Teil 11: Nichtlinearitäten von Fasern
Welche nichtlinearen Effekte treten in Fasern auf? Warum lässt sich die nichtlineare Selbstfokussierung nicht durch größere Modenflächen vermeiden – im Gegensatz zur Selbstphasenmodulation, zur stimulierten Brillouin- und Raman-Streuung und anderen nichtlinearen Effekten? Was geschieht mit Moden höherer Ordnung bei sehr hohen optischen Intensitäten? |
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Teil 12: Ultrakurze Pulse und Signale in Fasern
Wie wirken dispersive und nichtlineare Effekte bei ultrakurzen Pulsen in Fasern zusammen? Wie kann eine Faser verschiedene räumliche Komponenten eines gepulsten Eingangssignals zeitlich trennen? Wie entstehen Solitonenpulse? Was ist Superkontinuumserzeugung? |
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Teil 13: Faserzubehör und WerkzeugeWelche Arten von Werkzeugen können zum Abisolieren, Brechen und Spleißen von Fasern eingesetzt werden? Wie inspiziert man Faserenden? Womit lassen sich Fasern konfektionieren oder ihr Ausgangslicht kollimieren? |
Beginnen wir mit Teil 1!
Übrigens finden Sie auf dieser Website viele weitere Materialien zur Faseroptik:
- weitere Tutorials
- viele nützliche Fallstudien
- zahlreiche Enzyklopädieartikel zur Faseroptik (englischsprachig)
- diverse Artikel des Photonics Spotlight (zum Beispiel die vom 12.09.2016, 11.08.2016, 12.05.2016, 11.03.2015, 28.07.2014, 08.07.2013 und 10.02.2011)