Was sind die „Fenster“ von Glasfasern?

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Warum sind Glasfaserkommunikation und -sensorik immer in den Bändern von 1310nm oder 1550nm? Sind andere Wellenlängen nicht möglich?

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Glasfaserkommunikations- und -sensorsysteme arbeiten meistens in den Wellenlängenbereichen von 1310\text{ nm} oder 1550\text{ nm}. Dies ist keine willkürliche Entscheidung, sondern ein physikalisches Erfordernis, das durch die physikalischen Eigenschaften von Siliziumdioxid ( SiO_2 ) als Medium, die Mechanismen der Lichtstreuung und -absorption sowie die Entwicklung passender optoelektronischer Bauteile bestimmt wird. Diese Bereiche werden auch als die „Übertragungsfenster“ (Transmission Windows) der Glasfaser bezeichnet.

Um dieses physikalische Phänomen besser zu verstehen, können wir es in folgende Aspekte unterteilen:

Eins. Verlustmechanismen von Licht in Glasfasern aus Siliziumdioxid

Wenn Licht sich in einer Standard-Quarzglasfaser ausbreitet, erfährt es eine Energieabschwächung durch verschiedene physikalische Effekte. Die Gesamtverluste werden hauptsächlich durch die folgenden drei Komponenten bestimmt:

  1. Rayleigh-Streuung (Rayleigh Scattering)
    Aufgrund mikroskopischer Dichteschwankungen im amorphe Siliziumdioxid-Glasfasermaterial kommt es zu Rayleigh-Streuung, wenn sich Licht ausbreitet. Die Intensität der Rayleigh-Streuungsverluste ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge:

    \text{Loss}_{\text{Rayleigh}} \propto \frac{1}{\lambda^4}

    In den kürzeren Wellenlängenbereichen des sichtbaren und ultravioletten Lichts (z. B. 400\text{ nm} \sim 700\text{ nm}) ist die Rayleigh-Streuung extrem stark. Daher kann rotes Licht (ca. 650\text{ nm}), obwohl es für Kurzstrecken-Faserortung mit roten Zeigern verwendet wird, niemals für die Langstreckenkommunikation oder präzise Sensorik eingesetzt werden.

  2. Infrarotabsorption (Infrared Absorption)
    Im Siliziumdioxid-Molekül gibt es Resonanzen des Kristallgitters und Schwingungen der Molekülbindungen. Oberhalb von 1,6\ \mu\text{m} (d. h. oberhalb von 1600\text{ nm}) steigt die Infrarotabsorption durch Molekülbindungsschwingungen rapide an, und die Verluste nehmen schnell zu. Dies bildet die Obergrenze für die verlustarme Übertragung in Quarzglasfasern im infraroten Bereich.

  3. Verunreinigungsabsorption – der „Wasser-Peak“ (Hydroxyl-ion Absorption)
    Während des Herstellungsprozesses von Glasfasern ist es extrem schwierig, Wasserdampf vollständig auszuschließen, sodass geringe Mengen an Hydroxylionen ( OH^- ) in der Faser verbleiben. Diese OH^- -Gruppen verursachen starke Resonanzabsorptionsspitzen bei bestimmten Wellenlängen, wobei der typischste „Wasser-Peak“ bei etwa 1383\text{ nm} liegt.

Diese physikalischen Gesetze summieren sich und bilden auf dem Verlustspektrum von Quarzglasfasern mehrere spezifische „Tief-Tal-Zonen mit geringen Verlusten“, was die Fenster für die Glasfaserkommunikation sind.

Zwei. Entstehung der drei Haupt „Fenster“

Basierend auf den oben genannten