Wie unterscheiden sie sich in Bezug auf das Spektralverhalten und die Verlustmechanismen?
Makrobendungen und Mikrobendungen sind zwei verschiedene Phänomene in optischen Fasern, die zu Signalverlusten führen und die spektralen Eigenschaften des Lichts beeinflussen können, das durch sie hindurchläuft.
Makrobendungen
- Beschreibung: Makrobendungen beziehen sich auf Krümmungen mit relativ großem Radius in einer optischen Faser, die normalerweise mit bloßem Auge sichtbar sind. Diese Krümmungen treten auf, wenn die Faser um Ecken geführt oder zu eng aufgespult wird.
- Spektrales Verhalten: Wenn eine optische Faser makrogebogen wird, trifft das Licht, das im Faserkern propagiert, auf einen Punkt, an dem seine Geschwindigkeit (aufgrund des Brechungsindex des Kerns) nicht ausreicht, um die Totalreflexion an der Grenzfläche des Mantels auf der Außenseite der Biegung aufrechtzuerhalten. Dies führt dazu, dass Licht aus der Faser abstrahlt. Die spektrale Auswirkung ist eine allgemeine Zunahme der Dämpfung über einen breiten Wellenlängenbereich, wobei kürzere Wellenlängen oft weniger Verlust erfahren als längere Wellenlängen, da sie enger eingeschlossen sind.
- Verlustmechanismen: Der primäre Verlustmechanismus ist Strahlungsverlust, bei dem das evaneszente Feld der geführten Mode über den kritischen Winkel an der äußeren Biegung hinausreicht, wodurch Licht aus der Faser austritt. Dieser Verlust ist stark vom Krümmungsradius und der numerischen Apertur der Faser abhängig.
Mikrobendungen
- Beschreibung: Mikrobendungen beziehen sich auf mikroskopische, lokalisierte und zufällige Variationen oder Verzerrungen entlang der Faserachse, die normalerweise durch äußere Kräfte wie ungleichmäßigen Druck, fehlerhafte Kabelummantelungen oder Herstellungsfehler verursacht werden. Diese sind typischerweise zu klein, um ohne Vergrößerung gesehen zu werden.
- Spektrales Verhalten: Mikrobendungen verursachen eine Kopplung zwischen geführten Moden und höherwertigen Strahlungsmoden oder Mantelmoden. Dies führt zu einer breiteren und komplexeren spektralen Dämpfung, da verschiedene Moden unterschiedlich betroffen sind. Die Verluste sind tendenziell wellenlängenabhängig und zeigen oft höhere Verluste bei längeren Wellenlängen. Bei
Fiber Bragg Gratings (FBGs)
können Mikrobendungen zu einer ungleichmäßigen Dehnung entlang des Gitters führen, was zu einer Verbreiterung oder Verzerrung des Reflexionsspektrums des FBG führt. - Verlustmechanismen: Der Hauptverlustmechanismus ist die Modenkopplung. Die Mikrobendungen stören periodisch das Brechungsindexprofil der Faser, wodurch geführtes Licht in Strahlungsmoden oder Mantelmoden gekoppelt wird, die dann dissipieren. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn die räumliche Periode der Mikrobendungen mit der Schlaglänge zwischen einer geführten Mode und einer Strahlungsmode übereinstimmt.
Wesentliche Unterschiede im Überblick:
- Größenordnung: Makrobendungen sind große, sichtbare Krümmungen; Mikrobendungen sind mikroskopische, lokalisierte Verzerrungen.
- Ursache: Makrobendungen entstehen durch großflächige Verlegung/Installation; Mikrobendungen entstehen durch lokalisierte Drücke oder Unvollkommenheiten.
- Verlustmechanismus: Makrobendungen verursachen hauptsächlich Strahlungsverluste; Mikrobendungen verursachen hauptsächlich Modenkopplung.
- Spektrale Auswirkung: Makrobendungen verursachen allgemeine Dämpfung (oft schlimmer bei längeren Wellenlängen); Mikrobendungen verursachen komplexere, oft wellenlängenabhängige Dämpfung und können FBG-Spektren verzerren.
Für Anwendungen, die eine biegungsunempfindliche Leistung erfordern, wie z. B. in engen Räumen oder Szenarien, die anfällig für Mikrobendungen sind, sind spezielle Fasertypen wie die
OFSCN® G.657 Glasfaser
entwickelt worden, um diese Verluste zu minimieren.