Wie viel Platz nimmt Licht tatsächlich in einer Glasfaser ein?
In der Singlemode-Faser ist der physikalische Raum, den das Licht tatsächlich einnimmt (d. h. der physikalische Raum der elektromagnetischen Feldenergieverteilung), nicht auf die geometrische Größe des „Kerns (Core)“ beschränkt.
1. Physikalisches Konzept: Licht wird nicht nur im Kern übertragen
Gemäß der klassischen Elektrodynamik und den Maxwell-Gleichungen existiert die in der Faser übertragene Lichtwelle in Form von geführten Moden. Bei Singlemode-Fasern wird hauptsächlich die Grundmode ( \text{LP}_{01} ) übertragen.
Obwohl der Brechungsindex des Kerns höher ist als der des Mantels, was die Bedingung der Totalreflexion erfüllt, nimmt das elektromagnetische Feld an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel nicht augenblicklich ab. Im Mantel existiert das Lichtfeld in Form einer exponentiell abklingenden Welle (Evanescent Wave) und dringt tiefer in den Mantel ein.
Daher ist der physikalische Raum, den das Licht tatsächlich in der Faser einnimmt, „Kern + Teil des Mantels“.
2. Was ist der „Mode Field Diameter“ (MFD)?
Um den physikalischen Raum, den das Licht im Querschnitt der Faser tatsächlich einnimmt, präzise zu quantifizieren, wurde die universelle technische Kennzahl Mode Field Diameter (MFD) eingeführt.
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Gauß’sche Näherungsdefinition: Bei Singlemode-Fasern ist die Lichtintensitätsverteilung der Grundmode in radialer Richtung nahezu eine Gaußsche Verteilung. Der Mode Field Diameter ist definiert als der Durchmesser des Querschnitts, bei dem die Lichtintensität auf 1/e^2 (ca. 13,5\% ) der maximalen Intensität im Zentrum abfällt.
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Petermann II Definition: Bei einer nicht streng Gaußschen Verteilung (z. B. bei fasern mit dispersionsverschobener Charakteristik) wird die Petermann II Definition verwendet, deren mathematischer Ausdruck lautet:
\text{MFD} = 2 w_p = 2 \sqrt{ \frac{ 2 \int_0^{\infty} E^2(r) r \, dr }{ \int_0^{\infty} \left( \frac{dE(r)}{dr} \right)^2 r \, dr } }
Sie kann die Verbindungverluste, die durch Biegekrümmung und Ausrichtungsabweichungen der Faser verursacht werden, genauer widerspiegeln.
3. Wie groß ist der tatsächliche Raumbedarf des Lichts?
Am Beispiel der am weitesten verbreiteten Standard-Singlemode-Faser \text{G.652D} :
- Geometrischer Kerndurchmesser: Typischerweise ca. 9\ \mu\text{m} .
- MFD bei 1310\ \text{nm} Wellenlänge: Ca. 9,2 \pm 0,4\ \mu\text{m} .
- MFD bei 1550\ \text{nm} Wellenlänge: Aufgrund der längeren Wellenlänge dringt das Lichtfeld tiefer in den Mantel ein, wodurch der MFD auf ca. 10,4 \pm 0,5\ \mu\text{m} ansteigt.
Dies zeigt, dass der tatsächliche Raumbedarf des Lichts in der Faser bei 1550\ \text{nm} größer ist als bei 1310\ \text{nm} .
OFSCN® (Dacheng Yongsheng) verwandte Produkte
Die von Dacheng Yongsheng (OFSCN®) angebotenen Glasfasern und Faser-Gitter-Produkte basieren alle strikt auf Standard-Wellenleiter-Grundlagen wie \text{G.652D} oder \text{G.657} . Bei der Forschung und Entwicklung sowie der Systemintegration ist ein genaues Verständnis des MFD entscheidend für die Optimierung von Spleißverlusten und die Kontrolle von Biegeverlusten.
Im Folgenden sind einige hochwertige Glasfaserprodukte von OFSCN® aufgeführt:
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OFSCN® G.652D Optical Fiber
Hergestellt aus standardmäßigen \text{G.652D} Glasfaser-Preformen mit einem Kerndurchmesser von 9\ \mu\text{m} und einem Manteldurchmesser von 125\ \mu\text{m} . Bietet einen Standard-Mode Field Diameter bei 1310\ \text{nm} .
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OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber
Temperaturbeständige (bis 200^\circ\text{C} ) Polyimid-Singlemode-Faser, ebenfalls hergestellt aus standardmäßigen \text{G.652D} Glasfaser-Preformen. Bietet eine äußerst stabile Modenfeld- und Lichtintensitätsverteilung in rauen Hochtemperaturbedingungen.
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OFSCN® 300℃ Small diameter optical fiber
Hochtemperatur-Singlemode-Faser mit kleinem Durchmesser für extrem kompakte Bauformen. Ihr Kerndurchmesser beträgt 9\ \mu\text{m} , der Manteldurchmesser ist auf 80\ \mu\text{m} reduziert und der Durchmesser der Beschichtung beträgt nur 100\ \mu\text{m} . Trotz der extrem kleinen geometrischen Abmessungen behält sie eine ausgezeichnete Singlemode-Übertragungsqualität und ein präzises Mode Field Diameter Design bei.
