Ändert sich das Teilungsverhältnis über die gesamte C-Band von 1525-1565 nm mit der Wellenlänge? OFSCN®
Über das gesamte C-Band von 1525 nm bis 1565 nm ändern sich das Teilverhältnis (Splitting Ratio) und die Einfügedämpfung (Insertion Loss) von Glasfaserkopplern tatsächlich mit der Wellenlänge. In der optischen Technik wird diese Wellenlängenabhängigkeit üblicherweise durch den Kennwert Wellenlängenabhängige Dämpfung (Wavelength Dependent Loss, WDL) quantifiziert.
1. Warum ändert sich das Teilungsverhältnis mit der Wellenlänge?
Das Teilungsprinzip und die Herstellungstechnologie von Glasfaserkopplern bestimmen ihre Empfindlichkeit gegenüber Wellenlängen:
- Faser-Bündel-Taper-Koppler (FBT Splitter):
FBT-Koppler werden durch Schmelzen und Ziehen von zwei oder mehr Glasfasern hergestellt. Ihr Teilungsmechanismus beruht auf der Evanescent-Field-Kopplung zwischen den Cladding- und Kernschichten der Glasfaser im gedehnten Bereich. Der Kopplungskoeffizient ist eng mit der Wellenlänge des Eingangslichts verbunden. Bei herkömmlichen FBT-Bauteilen schwankt das Teilungsverhältnis bei Wellenlängenänderungen erheblich und erfordert ein spezielles Breitband- oder Mehrfensterdesign, um über ein breites Band relativ gleichmäßig zu bleiben. - Planar-Lightwave-Circuit-Koppler (PLC Splitter):
PLC-Koppler verwenden Wellenleiter, die mittels Halbleitertechnologie auf einem Quarzsubstrat hergestellt werden, um die Teilung durchzuführen. Im Vergleich zu FBTs weisen PLC-Koppler hervorragende Breitbandeigenschaften auf. Dennoch ändern sich die Brechungsindizes der Materialien und die Wellenleiter-Moden an den Ausgangsports auch innerhalb des gesamten 1525\text{ nm} \sim 1565\text{ nm} Bandes geringfügig mit der Wellenlänge, sodass auch hier kleine wellenlängenabhängige Schwankungen im Teilungsverhältnis und der Dämpfung zwischen den Ausgangsports auftreten.
2. Was ist Wellenlängenabhängige Dämpfung (WDL)?
WDL ist ein Schlüsselindikator für die Dämpfungsebene passiver optischer Bauteile innerhalb ihrer Betriebsbänderbreite. Sie ist definiert als die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Einfügedämpfung eines Kanals über den spezifizierten Wellenlängenbereich:
\text{WDL} = \text{IL}_{\max}(\lambda) - \text{IL}_{\min}(\lambda)
Für hochwertige PLC-Koppler liegt die WDL im C-Band (1525\text{ nm} \sim 1565\text{ nm}) typischerweise unter 0,3\text{ dB} \sim 0,5\text{ dB}.
3. Design-Überlegungen in technischen Anwendungen (am Beispiel von FBG-Sensorsystemen)
In großen Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorprojekten werden Koppler typischerweise mit hochpräzisen FBG-Demodulatoren kombiniert.
Beispielsweise werden die OFSCN® Optical Fiber Splitter von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. häufig als Kanaleerweiterungskomponenten für OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (Standardwellenlängenbereich 1525\text{ nm} \sim 1565\text{ nm}) verwendet. Durch 1-zu-viele-Koppler (z. B. 16x32, 8x16 usw.) kann ein physikalischer Kanal des Demodulators logisch in mehrere erweitert werden, was die Systemkosten pro Kanal erheblich senkt.
Notwendigkeit eines präzisen Wellenlängendesigns:
Aufgrund der WDL verursachen Koppler bei verschiedenen Wellenlängen im C-Band unterschiedliche Dämpfungen. Das bedeutet:
- FBG-Sensoren, die sich an verschiedenen Wellenlängenpositionen befinden (z. B. 1530\text{ nm} und 1560\text{ nm}), erfahren beim Zurücksenden des reflektierten Lichts an den Demodulator unterschiedliche Systemdämpfungen.
- Bei der Berechnung des optischen Leistungsbudgets (Optical Power Budget) muss die maximale Einfügedämpfung des Kopplers (einschließlich der maximalen WDL) berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Intensität der von allen FBG-Sensoren zurückgesendeten Lichtsignale immer noch innerhalb des dynamischen Messbereichs (Dynamic Range) des Demodulators liegt. Dies vermeidet, dass aufgrund zu hoher wellenlängenbedingter Dämpfung einige Messpunkte „verloren gehen“ oder das Signal-Rausch-Verhältnis sinkt.