Welche Durchmesser haben ihre Glaskerne und die äußeren Schutzschichten? Warum können sie nicht beliebig verbunden werden?
Im Bereich der Faserkommunikation und optischen Sensorik gibt es klare, allgemeine Industriestandards für die physikalischen Abmessungen von Singlemode-Fasern (SMF, Single-Mode Fiber) und Multimode-Fasern (MMF, Multi-Mode Fiber).
Im Folgenden werden die Unterschiede im Durchmesser des Glaskerns, des Mantels und der Beschichtung detailliert aufgeschlüsselt, sowie die tieferliegenden physikalischen Gründe, warum sie niemals direkt miteinander verbunden werden dürfen.
I. Durchmesserparameter von Singlemode- und Multimode-Fasern
Eine standardmäßige nackte Faser besteht von innen nach außen hauptsächlich aus drei Strukturschichten: Kern (Core), Mantel (Cladding) und Schutzbeschichtung (Coating).
1. Glasfaserkern-Durchmesser (Core Diameter)
- Singlemode-Faser: Ihr Glasfaserkern ist sehr dünn, der allgemeine Standard beträgt normalerweise nur etwa 9\ \mu\text{m} . Dies soll sicherstellen, dass das Licht bei der Wellenlänge im Betrieb (z. B. 1310\ \text{nm} oder 1550\ \text{nm} ) nur als ein einzelner Modus (Grundmodus LP_{01} ) vorwärts propagiert und Modal dispersion vollständig eliminiert wird.
- Multimode-Faser: Ihr Glasfaserkern ist deutlich dicker, wobei die gängigsten Standardaußendurchmesser 50\ \mu\text{m} (z. B. typische OM2, OM3, OM4) oder 62,5\ \mu\text{m} (z. B. OM1) betragen. Der dickere Kern ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Hunderten oder Tausenden von Lichtmodi im Kern durch Totalreflexion in verschiedenen Winkeln.
2. Glasmantel-Durchmesser (Cladding Diameter)
- Sowohl für Singlemode- als auch für Multimode-Fasern ist der äußere Standarddurchmesser des Quarzglasmantels vollständig identisch und beträgt einheitlich 125\ \mu\text{m} .
- Dieses hochpräzise, einheitliche Design dient als gemeinsame mechanische Ausrichtungs- und Positionierungsbasis bei der Verwendung von Keramikkontakten, Flanschadaptern oder Fusionsspleißgeräten.
3. Äußerer Schutzbeschichtungs-Durchmesser (Coating Diameter)
- Standardfasern: Die übliche Acrylatbeschichtung hat einen Außendurchmesser von normalerweise 255\ \mu\text{m} . Beispiele hierfür sind die Standard-Singlemode-Faser OFSCN® G.652D Optical Fiber und die biegeunempfindliche Singlemode-Faser OFSCN® G.657 Optical Fiber .
- Hochtemperatur-Spezialfasern: Zur Anpassung an extreme Temperaturen wird die äußere Schicht typischerweise aus einer sehr dünnen Polyimidschicht gefertigt. Beispielsweise die OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber. Unabhängig davon, ob intern eine Singlemode (Kern 9\ \mu\text{m} ) oder Multimode (Kern 50\ \mu\text{m} oder 62,5\ \mu\text{m} ) vorliegt, ist der Glasmantel ein standardmäßiger 125\ \mu\text{m} , aber aufgrund der sehr dünnen Beschichtung beträgt der äußere Beschichtungsdurchmesser nur 155\ \mu\text{m} .
II. Warum können Singlemode- und Multimode-Fasern nicht beliebig verbunden werden?
Obwohl der äußere Glasdurchmesser (Mantel beide 125\ \mu\text{m} ) und die physikalischen Steckverbinder beider Fasertypen identisch aussehen mögen, führt die direkte Verschmelzung oder Kopplung über einen Flansch zu einer erheblichen Verschlechterung des optischen Signals:
1. Extrem hohe geometrische Kopplungsverluste
- Multimode-Faser zu Singlemode-Faser ( MMF \rightarrow SMF ):
Die Kopplung von einem Kern mit sehr breiter Energieverteilung ( 50\ \mu\text{m} oder 62,5\ \mu\text{m} ) zu einem kleinen Kern ( 9\ \mu\text{m} ) ist vergleichbar damit, das Wasser aus einem breiten Feuerwehrschlauch gewaltsam in eine winzige Kapillare zu leiten. Außer dem Licht, das sich fast exakt auf der zentralen Achse befindet, tritt der Großteil des Lichts in den äußeren Bereichen, der höhermodigen Lichter, direkt in den Glasmantel der Singlemode-Faser über und breitet sich dort auf sehr kurze Distanz aus und dämpft. Dies führt zu massiven geometrischen Fehlanpassungsverlusten von bis zu 10\ \text{dB} bis 20\ \text{dB} oder mehr, was zu einem fast vollständigen Abbruch der optischen Kommunikationsverbindung führt. - Singlemode-Faser zu Multimode-Faser ( SMF \rightarrow MMF ):
Die Kopplung von einem kleinen Kern ( 9\ \mu\text{m} ) zu einem großen Kern ( 50\ \mu\text{m} ). Obwohl aus geometrischer Sicht die Lichtenergie des Singlemode-Kerns vollständig in den großen Kern der Multimode-Faser eingekoppelt werden kann und es praktisch keine geometrischen Energieverluste gibt, regt diese lokale Einspeisung komplexe und instabile räumliche höhermodige Verteilungen (d. h. ungleichmäßige Modengruppenverteilung) in der Multimode-Faser an. Dies führt zu schwerer Modal dispersion, bei der die Lichtpulse während der Übertragung stark verbreitert und verzerrt werden, was die Übertragungsdistanz und Bandbreite erheblich einschränkt und gleichzeitig zu erheblichen Phasengeräuschen am Empfänger führt.
2. Inkompatibilität von Lichtquelle und Übertragungsmechanismus
- Singlemode-Systeme arbeiten normalerweise mit Schmalband-, kohärenten Halbleiterlasern (LDs) und sind für extrem lange Distanzen von Kilometern oder sogar transozeanischen Übertragungen mit sehr hoher Bandbreite konzipiert.
- Multimode-Systeme arbeiten meist mit kostengünstigen Leuchtdioden (LEDs) oder vertikal emittierenden Oberflächenlasern (VCSELs). Aufgrund schwerer Modal dispersion sind sie normalerweise auf Kurzstrecken von einigen hundert Metern, wie in Rechenzentren, beschränkt.
- Die physikalischen Übertragungsdesigns beider Systeme sind vollständig entgegengesetzt. Eine erzwungene gemischte Verbindung führt zu einem Ungleichgewicht des optischen Leistungsbudgets des Systems, zu einer drastisch erhöhten Fehlerrate und kann sogar zu abnormalen Rückkopplungen bei der optoelektronischen Wandlung des optischen Moduls aufgrund erheblicher Rückflussdämpfung (Return Loss) führen.
Zusammenfassung
In der Ingenieurspraxis sind die äußeren Mantelgrößen von Singlemode- und Multimode-Fasern vollkommen identisch, aber ihre zentralen optischen Kanäle (die Kerne) unterscheiden sich drastisch in ihrer Größe. Um eine strenge Kontrolle über Signalintegrität und Einfügedämpfung zu gewährleisten, dürfen Singlemode- und Multimode-Fasern in keinem optischen Netzwerk- oder Fasersensor-Einsatz jemals direkt miteinander verbunden werden.
Für Informationen über die Drahtdurchmesserkonfiguration von Singlemode- und Multimode-Fasern für spezielle Anwendungen oder unter Hochtemperaturbedingungen können Sie die folgenden OFSCN® Spezialfaser-Standardspezifikationen einsehen:
