Wie teilt es einen Lichtstrahl in mehrere auf, ähnlich wie ein T-Stück bei einer Wasserleitung?
Der Glasfaser-Splitter (Fiber Splitter) im optischen Pfad ähnelt in seiner Funktion tatsächlich einem „T-Stück“ bei Wasserleitungen. Physikalisch gesehen unterscheidet sich die „Aufteilung“ des Lichts als elektromagnetische Welle jedoch grundlegend von der Strömungsdynamik von Flüssigkeiten. Glasfaser-Splitter teilen das Licht nicht durch einfache physikalische „Blockierung“ oder „Drosselung“, sondern nutzen die Kopplung elektromagnetischer Felder in der Strömungsoptik und die geometrische Raumteilung von mikroskopischen Wellenleitern.
Derzeit werden in der Industrie hauptsächlich die folgenden zwei physikalischen Mechanismen zur Aufteilung eines Lichtstrahls in mehrere Strahlen eingesetzt:
1. Fused Biconical Taper (FBT) – Mechanismus der evaneszenten Feldkopplung
Die Fused-Biconical-Taper-Technologie teilt Licht durch Veränderung der Grenzbedingungen der Glasfaser mittels physikalischer und thermodynamischer Methoden auf:
- Herstellungsprozess: Zwei (oder mehr) Glasfasern, deren äußere Beschichtung entfernt wurde, werden eng nebeneinander gelegt, bei hoher Temperatur zusammengeschmolzen und gleichzeitig gleichmäßig in beide Richtungen gezogen. Im erhitzten Bereich entsteht eine Übergangszone mit einer bikonischen Struktur.
- Physikalisches Prinzip: In einer Standard-Singlemode-Faser wird die Lichtwelle hauptsächlich im Kern (Core) übertragen (z.B. Grundmode LP_{01}). Wenn die Faser in den sich verjüngenden, gedehnten Kegelbereich eintritt, wird das ursprünglich im Kern eingeschlossene elektromagnetische Feld aufgrund der stark reduzierten Kernfläche nicht mehr vollständig eingeschlossen. Seine Energie breitet sich in den Mantel (Cladding) aus und bildet evaneszente Wellen. Da die beiden Fasern im Schmelzbereich extrem eng beieinander liegen, dringt das evaneszente Feld einer Faser in den Mantel und Kern der anderen Faser ein und koppelt sich dort.
- Aufteilungskontrolle: Durch präzise Steuerung der Länge des Zugs, des Kegelwinkels und der Länge des Schmelzbereichs kann die Kopplungseffizienz des elektromagnetischen Feldes zwischen den beiden Fasern streng kontrolliert werden. Dadurch kann eine beliebige Aufteilung des Lichts realisiert werden (z.B. 50:50 oder 10:90 für spezielle Sensoren).
- Analogie zur Wasserleitung: Dies ist vergleichbar mit zwei nebeneinander liegenden Gummischläuchen, deren Wand im mittleren Bereich ausgedünnt und verschmolzen wird, wodurch die Wand „halbdurchlässig“ wird und Wasser (Photonenenergie) proportional in die benachbarten Schläuche diffundiert.
2. Planar Lightwave Circuit (PLC) – Mechanismus der geometrischen Wellenfrontteilung
Die Planar-Lightwave-Circuit-Technologie basiert auf Halbleiter-Mikro-/Nanofertigungsprozessen und ist ein Bauteil, das eine „T-Stück“-Funktion auf geometrischer Ebene im eigentlichen Sinne realisiert:
- Herstellungsprozess: Auf einem Quarz- (Siliziumdioxid-) Substrat werden mittels Halbleiterverfahren wie Fotolithografie und Ätzen mikrometergroße Wellenleiterkanäle mit hohem Brechungsindex abgeschieden und geformt.
- Physikalisches Prinzip: Die Kernbaueinheit eines PLC-Splitters ist eine Y-förmige Verzweigung. Wenn eine Lichtwelle in einem Hauptwellenleiter übertragen wird und den Y-förmigen Verzweigungspunkt erreicht, wird die Isophasenfläche (Wellenfront) der Lichtwelle geometrisch in zwei Teile geteilt, die jeweils in die beiden Verzweigungswellenleiter eintreten. Durch mehrstufige Kaskadierung dieser Y-Verzweigungen auf dem Chip (ähnlich einer Baumtopologie) kann ein Eingangslichtstrahl gleichmäßig in 2^N Strahlen aufgeteilt werden (z.B. 1\times 4, 1\times 8, 1\times 16 bis 1\times 64).
- Analogie zur Wasserleitung: Dies ähnelt am ehesten einem T-Stück für Wasserleitungen. Es werden physikalische Kanäle in einem Festkörpermedium geätzt, die das sich vorwärts ausbreitende Lichtfeld direkt geometrisch in mehrere Pfade aufteilen.
OFSCN®-Anwendung von Lichtleitfaser-Splittern in der Faseroptik-Sensorik
In den Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorlösungen von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) sind Glasfaser-Splitter unverzichtbare Komponenten zur Kanalerweiterung.
Hauptparameter und Anwendungsindikatoren:
- Standardkonfigurationen: Es sind Konfigurationen wie 16\times 32 Splitter, 8\times 16 Splitter, 4\times 8 Splitter, 32\times 64 Splitter usw. erhältlich.
- Kanalerweiterungsanwendung: In großen Faseroptik-Sensorprojekten wird dieses Produkt häufig in Verbindung mit dem OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (FBG-Demodulator) eingesetzt. Durch den Splitter kann ein physikalischer Kanal des Demodulators räumlich in zwei oder drei logische Kanäle erweitert werden, wodurch die Stückkosten pro Kanal in Sensorsystemen mit hoher Kanalanzahl erheblich gesenkt werden.
- Konstruktionsanforderungen: Da die Verwendung eines Splitters Einfügungsverluste verursacht und die reflektierten Wellenlängen der aufgeteilten Kanäle leicht überlappen können, ist bei der Kanalerweiterung mit Splittern eine strenge Wellenlängen- und Bias-Analyse unerlässlich, um eine gegenseitige Störung der reflektierten Wellenlängen der einzelnen Sensoren zu vermeiden.