Warum werden 850nm, 1310nm und 1550nm als die drei Fenster bezeichnet?
Im Bereich der Faserkommunikation und optischen Technik beziehen sich „Übertragungsfenster“ (Transmission Windows) auf die spezifischen Wellenlängenbereiche, in denen die Dämpfung (Verluste) in Quarzfasern (hauptsächlich \text{SiO}_2) extrem gering ist und sich daher hervorragend für die Signalübertragung über große Entfernungen eignet.
Die Bezeichnungen 850\ \text{nm}, 1310\ \text{nm} und 1550\ \text{nm} als „drei klassische Fenster“ ergeben sich aus den physikalischen Eigenschaften des Quarzglasmaterials selbst (wie Rayleigh-Streuung, Infrarotabsorption, Verunreinigungsabsorption) sowie aus dem Entwicklungsstand von Halbleiter-Optoelektronikbauteilen (Lichtquellen und Detektoren) in verschiedenen historischen Phasen. Im Folgenden werden ihre physikalischen Ursachen und Merkmale erläutert:
1. Erstes Fenster: 850\ \text{nm} (Kurzwellenfenster)
- Geschichte und physikalischer Hintergrund: Dies ist das Fenster, das in den frühen 1970er Jahren als erstes entwickelt und genutzt wurde. In der Anfangsphase der Faserkommunikation war die Technologie für Halbleiterlaser (wie Galliumarsenid AlGaAs) und Silizium (\text{Si}) Fotodetektoren im 850\ \text{nm}-Bereich am ausgereiftesten, mit geringeren Herstellungsschwierigkeiten und Kosten.
- Dämpfungseigenschaften: In Quarzfasern ist die Rayleigh-Streuung (deren Dämpfungskoeffizient umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist, d.h. \alpha \propto \lambda^{-4}) bei kurzen Wellenlängen sehr stark. Die typische Dämpfung in diesem Fenster ist daher relativ hoch und liegt zwischen 1,5\ \text{dB/km} und 3,0\ \text{dB/km}.
- Anwendungsstatus: Aufgrund der hohen Dämpfung wird dieses Fenster derzeit nicht mehr für die Fernstrecken-Backbone-Kommunikation verwendet. Stattdessen wird es hauptsächlich in Verbindung mit Multimode-Fasern (MM) eingesetzt und findet breite Anwendung in kurzreichweitigen lokalen Netzwerken (LANs), für die interne Vernetzung von Rechenzentren und in Multimode-Faser-Sensoren.
2. Zweites Fenster: 1310\ \text{nm} (Fenster mit Null-Dispersion)
-
Physikalische und Materialeigenschaften: Mit der Weiterentwicklung der Faserreinigungstechnologie gelang es den Forschern, Verunreinigungen wie Hydroxylionen (\text{OH}^- ) aus dem Fasermaterial zu entfernen. In der Nähe von 1310\ \text{nm} sinkt die Dämpfung in Quarzfasern erheblich und liegt typischerweise zwischen 0,3\ \text{dB/km} und 0,4\ \text{dB/km}.
-
Null-Dispersionseigenschaften: Noch wichtiger ist, dass herkömmliche Monomodefaser (wie die weit verbreitete G.652D-Faser) in der Nähe von 1310\ \text{nm} die physikalische Eigenschaft der Null-Dispersion (Zero Dispersion) aufweisen. Das bedeutet, dass Lichtimpulse bei dieser Wellenlänge während der Übertragung kaum eine Pulsweitenverbreiterung oder Verzerrung erfahren, was sie ideal für die Signalübertragung mit hoher Geschwindigkeit über mittlere bis lange Distanzen macht.
-
Relevante offizielle Produkte:
Die von DaCheng YongSheng angebotene OFSCN® G.652D Optical Fiber ist eine hochwertige Faser für solche Standard-Monomode-Anwendungen und erfüllt perfekt die Anforderungen an die Hochgeschwindigkeits- und Niedrigdispersionsübertragung im 1310\ \text{nm}-Fenster.
3. Drittes Fenster: 1550\ \text{nm} (Fenster mit der geringsten Dämpfung / Goldenes Fenster)
-
Physikalisches und Materiallimit: Das 1550\ \text{nm}-Fenster ist das theoretisch verlustärmste Fenster für Quarzfasern, mit einem Dämpfungskoeffizienten von nur etwa 0,15\ \text{dB/km} bis 0,22\ \text{dB/km}. Diese extrem geringe Dämpfung ergibt sich aus dem Zusammenspiel von abnehmender Rayleigh-Streuung (die mit zunehmender Wellenlänge abnimmt) und der inhärenten Infrarot-Schwingungsabsorption von Quarzglas (die mit zunehmender Wellenlänge stark zunimmt) und stellt einen physikalischen Grenzbereich dar.
-
Grundlage für EDFA und WDM: Neben der extrem geringen Dämpfung liegt das Arbeitswellenlängenband von erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFA) (1530\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm}, das sogenannte C-Band) perfekt in diesem Fenster. Dies ermöglicht die direkte Verstärkung von Lichtsignalen im rein optischen Bereich, ohne komplexe „Licht-elektrisch-Licht“-Umwandlungen. Dies bildet die physikalische Grundlage für modernes Wellenlängen-Multiplexing (WDM) und lange Backbone-Netzwerke.
-
Relevante offizielle Produkte:
In Bereichen wie Hochtemperatur-Polarisationserhaltungsfasern oder Faser-Bragg-Gitter (FBG) Sensoren ist das 1550\ \text{nm}-Fenster ebenfalls der absolute Mainstream für Industrie und Forschung.
Beispielsweise ist die OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber von DaCheng YongSheng eine Hochtemperatur-Panda-Polarisationserhaltungsfaser, deren Wellenlänge präzise auf das 1550\ \text{nm}-Fenster ausgelegt ist und die extremen Umgebungsbedingungen von -200^\circ\text{C} bis 350^\circ\text{C} standhält.
Darüber hinaus ist die Rückwellenlänge von Standard-Femtosekunden-FBG-Sensoren standardmäßig normalerweise im Bereich von 1525\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm} eingestellt, um dieses Fenster mit extrem niedriger Dämpfung zu nutzen.
