Was ist die Lichtgeschwindigkeit in einer Glasfaser?

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Läuft Licht in einer Glasfaser langsamer als im Vakuum? Wie viel langsamer ungefähr?

(Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.)

OFSCN®)

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Ja, die Geschwindigkeit, mit der Licht in Glasfasern übertragen wird, ist deutlich langsamer als seine Geschwindigkeit im Vakuum.

I. Erklärung des physikalischen Prinzips

  1. Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
    Die Geschwindigkeit, mit der Licht im Vakuum reist, ist die Grenzgeschwindigkeit für Objekte im Universum, bezeichnet als c, mit einem genauen Wert von c = 299.792.458 \ \text{m/s} (in technischen Anwendungen üblicherweise auf etwa 3 \times 10^8 \ \text{m/s}, oder 300.000 Kilometer pro Sekunde, gerundet).

  2. Einfluss des Brechungsindex des Mediums
    Wenn sich elektromagnetische Wellen (Licht) in einem Medium (wie Wasser, Glas oder Glasfasern) ausbreiten, verlangsamt sich ihre makroskopische Ausbreitungsgeschwindigkeit aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung der Lichtwellen mit den Elektronen und Atomen im Medium. Das physikalische Maß, das den Grad der Verlangsamung bestimmt, ist der Brechungsindex (Refractive Index, bezeichnet als n) dieses Mediums.

    Die Beziehung zwischen der tatsächlichen Lichtgeschwindigkeit v im Medium und der Vakuumlichtgeschwindigkeit c sowie dem Brechungsindex n ist gegeben durch die Formel:

    v = \frac{c}{n}

    （Hinweis: Gemäß der Elektrodynamik ist der Brechungsindex n der meisten transparenten Medien größer als 1, daher ist die tatsächliche Lichtgeschwindigkeit v im Medium zwangsläufig geringer als die Vakuumlichtgeschwindigkeit $c$）.

II. Wie hoch ist die tatsächliche Geschwindigkeit des Lichts in Standard-Glasfasern ungefähr?

Die in der modernen optischen Kommunikation und Faseroptik-Sensorik verwendeten Glasfasern bestehen im Kern hauptsächlich aus hochreinem Siliziumdioxid (Silica, \text{SiO}_2) Quarzglas.

  • Wert des Brechungsindex:
    Im für die Glasfaserkommunikation und Faseroptik-Sensorik am häufigsten verwendeten nahen Infrarotbereich (z. B. bei einer üblichen Wellenlänge von \lambda = 1550\ \text{nm}) liegt der Brechungsindex n des Kerns von Standard-Siliziumdioxidfasern zwischen etwa 1.46 und 1.47, wobei oft ein mittlerer Referenzwert von n \approx 1.468 verwendet wird.

  • Berechnung der Lichtgeschwindigkeit in Glasfasern:
    Durch Einsetzen des Brechungsindex in die obige Formel erhalten wir:

    v = \frac{299.792.458\ \text{m/s}}{1.468} \approx 204.218.295\ \text{m/s}

    Das bedeutet, dass die tatsächliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in Glasfasern etwa ** 2.04 \times 10^8\ \text{m/s} ** (ungefähr ** 204.000** Kilometer pro Sekunde) beträgt.

III. Wie viel langsamer ist Licht in Glasfasern im Vergleich zum Vakuum?

Vergleicht man die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum (ca. 300.000 km/s) mit der tatsächlichen Geschwindigkeit in Glasfasern (ca. 204.000 km/s):

  • Die Geschwindigkeit des Lichts in Glasfasern beträgt nur etwa ** 68.1\% ** der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
  • Anders ausgedrückt, Licht ist in Glasfasern etwa ** 31.9\% langsamer** als im Vakuum (fast ein Drittel langsamer).

IV. Die entscheidende Rolle des Brechungsindex und der langsamen Lichtausbreitung in der Fasertechnologie

Diese Tatsache der „Verlangsamung“ ist kein Hindernis, sondern im Gegenteil die Grundlage, auf der die gesamte moderne Faseroptik und Faseroptik-Sensorik beruht:

  1. Lichtleitung durch Totalreflexion in Glasfasern
    Die Fähigkeit von Glasfasern, Licht zu leiten, beruht darauf, dass ihr Kern einen etwas höheren Brechungsindex hat (z. B. n \approx 1.468 ), während der Mantel (Cladding) einen etwas niedrigeren Brechungsindex hat (z. B. n \approx 1.462 ). Gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz tritt bei einem bestimmten Einfallswinkel Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel auf, wodurch das Licht im Kern gefangen und nach vorne geleitet wird.

  2. Reflektierte Wellenlänge von Faser-Bragg-Gittern (FBG)
    Bei der Faser-Bragg-Gitter (Fiber Bragg Grating, FBG)-Sensortechnologie spielt der Brechungsindex eine entscheidende Rolle. Die Bragg-Reflexionswellenlänge \lambda_B eines Faser-Bragg-Gitters wird durch die Formel bestimmt:

    \lambda_B = 2 \cdot n_{\text{eff}} \cdot \Lambda

    wobei n_{\text{eff}} der effektive Brechungsindex der Faser und \Lambda der Gitterperiod ist. Wenn sich die Umgebungstemperatur oder die auf die Faser wirkende Zugbelastung ändert, verschiebt sich der effektive Brechungsindex n_{\text{eff}} der Faser, was zu einer Verschiebung der Reflexionswellenlänge \lambda_B führt. Dies ist der grundlegende physikalische Mechanismus von FBG-Sensoren.

  3. Ortsbestimmung mittels Licht-Laufzeit-Messung (OTDR / OFDR)
    Bei verteilten Glasfaser-Sensoren berechnet das Auswertegerät die genaue Position eines Ereignisses L durch präzise Messung der Zeitdifferenz t, bis das reflektierte Licht zum Sender zurückkehrt. Da sich Licht in Glasfasern mit einer langsamen Geschwindigkeit v ausbreitet, hängt die Formel zur Ortsbestimmung direkt vom Brechungsindex n ab:

    L = \frac{v \cdot t}{2} = \frac{c \cdot t}{2 \ \cdot n}

V. Kern-Glasfaser- und FBG-Produkte von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) verwendet hochwertige Standard-Singlemode-Quarzglasfasern aus Siliziumdioxid (mit einem Standardbrechungsindex von n \approx 1.468 im nahen Infrarotbereich) zur Herstellung verschiedener hochwertiger Glasfaser- und Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Produkte: