Was bedeutet der Begriff „Brechzahl-Matching“ für die Beschichtung von Glasfasern?

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Warum muss die Beschichtung einen höheren Brechungsindex als der Kern aufweisen?

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In der Faseroptik-Technik muss zur Erläuterung des physikalischen Mechanismus der „Brechzahl-Anpassung der Beschichtung“ zunächst die geometrische und optische Dreischichtenstruktur einer Glasfaser geklärt werden.

Eine Standard-Quarzglasfaser besteht von innen nach außen aus drei Teilen: Kern (Core), Mantel (Cladding) und Beschichtung (Coating):

  1. Brechzahl des Kerns n_{\text{core}}: Die höchste der drei Schichten.
  2. Brechzahl des Mantels n_{\text{cladding}}: Die zweithöchste, und es muss streng n_{\text{core}} > n_{\text{cladding}} gelten, um das Hauptsignallicht mittels des Prinzips der Totalreflexion im Kern zu führen.
  3. Brechzahl der Beschichtung n_{\text{coating}}: Üblicherweise wird gefordert, dass ihre Brechzahl höher ist als die des Mantels (d. h. n_{\text{coating}} > n_{\text{cladding}} erfüllt ist), und in einigen speziellen Fällen der Mantelmodenstrippung muss ihre Brechzahl sogar nahe der des Kerns oder höher sein.

Die üblicherweise erwähnte „Brechzahl-Anpassung der Beschichtung“ kann aus folgenden optisch-physikalischen Mechanismen erklärt werden:

1. Mantelmodenstrippung (Cladding Mode Stripping) und Vermeidung der Totalreflexion

Während der Lichtübertragung in der Faser wird, wenn das Licht auf Störstrukturen wie Faserbiegungen, Spleißstellen oder faseroptische Gitter (FBG) trifft, ein Teil der ursprünglich im Kern übertragenen Lichtenergie in den Mantel gestreut oder eingekoppelt, wodurch Mantelmoden (Cladding modes) entstehen.

  • Wenn n_{\text{coating}} < n_{\text{cladding}} (Beschichtungsbrechzahl niedriger als die des Mantels):
    Die Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung erfüllt die Bedingung der Totalreflexion. Das Licht im Mantel wird im Mantel weitergeleitet und bildet eine neue „führende Wellenleiterstruktur“. Dieses Mantelicht interferiert kohärent mit dem Hauptsignal im Kern oder erzeugt Streulärm, was zu Verzerrungen des Transmissions-/Reflexionsspektrums, einer Verschlechterung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses (OSNR) und einer erheblichen Beeinträchtigung der anschließenden Optimierung und Berechnung von Spitzenwerten durch den faseroptischen Demodulator führt.

  • Wenn n_{\text{coating}} > n_{\text{cladding}} (Beschichtungsbrechzahl höher als die des Mantels):
    Die Grenzfläche zwischen Mantel und Beschichtung durchbricht die Bedingung der Totalreflexion. Das in den Mantel austretende Streulicht wird ungehindert durch Brechung in die Beschichtung übertragen und schnell vom Polymer-Beschichtungsmaterial absorbiert oder gestreut. Dieses Phänomen wird als natürliche Mantelmodenstrippung bezeichnet und gewährleistet die Reinheit des im Kern übertragenen Signals.

2. Ingenieurpraxis in Faseroptik-Sensoren und faseroptischen Gittern (FBG)

Im Bereich der faseroptischen Gitter-Sensorik bestimmt die Wahl der Brechzahl der Beschichtung beim Gitter-Schreiben (oder Schreiben mit Femtosekunden-Lasern) und bei anschließenden Wiederbeschichtungsprozessen (Re-Coating) direkt das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis und die Spitzen-Symmetrie der Gitter-Reflexions- und Transmissionsspektren.

Die von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) angebotenen Standardfasern und faseroptischen Gitterprodukte werden alle mit Polymer-Materialien, die einer strengen Brechzahl-Anpassung unterzogen wurden, beschichtet und wiederbeschichtet: