Was ist Biegeunempfindliche Glasfaser (BIF)?

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Warum kann man manche Glasfasern wie Kabel um den Finger wickeln, während andere Fasern beim Biegen kein Signal mehr übertragen?

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Die physikalische Grundlage der Signalübertragung durch Glasfasern beruht auf dem Mechanismus der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern (Core) und dem Mantel (Cladding) des Lichtwellenleiters. Wenn der Einfallswinkel des Lichtsignals größer ist als der kritische Winkel für die Totalreflexion \theta_c, wird die elektromagnetische Feldenergie verlustfrei im Wellenleiter (dem Kern) für die Vorwärtsbewegung eingeschlossen.

Die Unterschiede im Signalverhalten verschiedener Glasfasern bei Biegung werden durch ihre Makrobendeverluste (Macrobending Loss) und ihr internes Brechzahlprofil-Design (Refractive Index Profile) bestimmt:

1. Warum verlieren normale Singlemode-Fasern sofort das Signal, wenn sie gebogen werden?

Bei der standardmäßigen G.652D Singlemode-Faser:

  • Strukturmerkmal: Der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel ist relativ gering, was zu einer moderaten Bindungskraft des elektrischen Feldes führt.
  • Verlustmechanismus (Makrobendeverlust): Wenn die Faser gebogen wird, ändert sich die Geometrie der Wellenleitergrenzfläche, wodurch der effektive Einfallswinkel des Lichts im gebogenen Abschnitt verringert wird. Bei kleinen Biegeradien (z. B. kleiner als 30\text{ mm}, oder sogar im 10\text{ mm}-Bereich, wenn um einen Finger gewickelt) kann der effektive Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel für die Totalreflexion \theta_c werden.
  • Ergebnis: Lichtenergie, die eigentlich im Kern durch Totalreflexion übertragen werden sollte, dringt durch die Kern-Mantel-Grenze, tritt in den Mantel aus und wird als Strahlungsmodus dissipiert. Deshalb wird das Signal bei einer einfachen Biegung einer herkömmlichen Faser sofort durch Makrobendeverluste unterbrochen.

2. Warum kann eine „biegeunempfindliche Faser“ wie ein Kabel um den Finger gewickelt werden?

Biegeunempfindliche Fasern (typischerweise gemäß ITU-T G.657-Standard, auch als BIF bezeichnet) verbessern die physikalische Bindung des Lichtfeldes durch Optimierung der internen Brechungsstruktur, um den Anforderungen an die Leitungsführung in beengten Räumen gerecht zu werden:

  • Trench-Assisted Design (mit Vertiefung im Brechungsindex): In den Mantel um den Kern herum wird künstlich eine Schicht mit extrem niedrigem Brechungsindex („Vertiefung“) eingebracht. Diese Vertiefung wirkt wie ein hocheffizienter physikalischer Spiegel, der das Licht selbst bei steilen Einfallswinkeln an der Grenze zurück in den Kern reflektiert und koppelt, bevor es austreten kann.
  • Reduzierung des Modenfeld-Durchmessers (MFD): Durch Anpassung des Brechungsindexunterschieds wird die Grundmodenenergie des Lichtfeldes stärker auf das geometrische Zentrum des Kerns konzentriert.
  • Ergebnis: Selbst wenn Fasern nach dem G.657.A2- oder sogar G.657.B3-Standard auf extrem kleine Biegeradien (z. B. 7,5\text{ mm} oder sogar 5\text{ mm}) gebogen werden, sind die durch Makrobendungen verursachten zusätzlichen Verluste vernachlässigbar. Dies ermöglicht eine Biegeleistung um den Finger, die mit der von elektrischen Kabeln vergleichbar ist.

OFSCN®-Produkte für Brechungsindex und biegeunempfindliche Fasern

OFSCN widmet sich der Forschung und Entwicklung von faseroptischen Sensortechnologien für hochpräzise industrielle Anwendungen und extreme Umgebungen. Wir bieten eine Reihe von hochwertigen Fasern an, die relevanten Standards entsprechen, um Biegeverluste in verschiedenen Ingenieurstrukturen zu minimieren: