Ich habe gehört, dass Glasfasern wasserempfindlich sind. Bezieht sich dieser „Wasserberg“ darauf, dass die Glasfaser feucht wird? Hat das Auswirkungen auf die Sensorik bei 1550 nm?
„Water Peak“ ist ein wichtiges physikalisches Konzept in der Glasfaseroptik, das jedoch aufgrund seines wörtlichen Namens oft zu Missverständnissen führt. Angesichts Ihrer Frage gebe ich Ihnen eine fundierte akademische Antwort aus zwei Perspektiven: physikalische Prinzipien und technische Anwendungen:
I. Was ist der „Water Peak“ in einer Glasfaser? Ist die Faser feucht geworden?
Nein, der „Water Peak“ in Glasfasern bezieht sich normalerweise nicht darauf, dass die Faser im alltäglichen Gebrauch „feucht“ wird oder von außen Wasser eindringt.
Es handelt sich im Wesentlichen um einen spezifischen Absorptionspeak, der durch Hydroxylionen (OH^-) verursacht wird, die während des Herstellungsprozesses von Quarzglasfasern aus chemischen Rohstoffen oder der Prozessumgebung zurückgeblieben sind und Licht absorbieren.
- Physikalischer Mechanismus: Die fundamentalen Schwingungsabsorptionsbänder der OH^--Bindung sowie deren Oberschwingungen liegen im nahen Infrarotbereich. Einer der stärksten Oberschwingungsabsorptionspeaks liegt zufällig in der Nähe der Wellenlänge von 1383 \text{ nm} (E-Band). Zusätzlich gibt es bei 1240 \text{ nm} und 950 \text{ nm} schwächere Absorptionspeaks. Diese Absorptionen führen zu einer starken Dämpfung des Lichts, das diesen Wellenlängenbereich durchläuft. In der Spektralverlustkurve werden diese steilen Verlustspitzen, die durch die OH^--Absorption verursacht werden, als „Water Peaks“ bezeichnet.
- Tatsächliche „Feuchtigkeit“ und „Wasserstoffdegradation“ (Einfluss der externen Alterung): Obwohl die bei der Herstellung verbliebenen OH^--Ionen die Hauptquelle für Water Peaks sind, können bei normalen Fasern, die über lange Zeiträume aggressiven Umgebungen mit Wasserstoff oder heißem Wasserdampf ausgesetzt sind, Wasserstoffmoleküle allmählich in das Glasfasernetz diffundieren (Wasserstoffeinlagerung) und mit der Siliziumdioxid-Netzwerkstruktur reagieren, um neue OH^--Bindungen zu bilden. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung des ursprünglichen Water Peak-Verlusts. Dieses Phänomen wird in der Technik als „Wasserstoffdegradation (Hydrogen Aging)“ bezeichnet.
II. Hat dies Auswirkungen auf die Sensorik bei 1550 \text{ nm}?
Praktisch keine direkten Auswirkungen.
Die Hauptgründe dafür sind zwei Punkte:
-
Wellenlängenbereich umgeht den Absorptionspeak vollständig:
- Der stärkste primäre Water Peak in Quarzfasern liegt bei etwa 1383 \text{ nm}.
- Gängige Glasfasersensorsysteme (wie solche, die auf Faser-Bragg-Gittern basieren) und Glasfaserkommunikationssysteme arbeiten hauptsächlich im Standard-C-Band, d. h. zwischen ca. 1525 \text{ nm} und 1565 \text{ nm}.
- Im Wellenlängenbereich von 1550 \text{ nm} weisen Quarzglasfasern ihre theoretisch geringste Dämpfung auf (normalerweise \le 0,2 \text{ dB/km} ). In diesem Bereich ist die OH^--Absorptionsdämpfung extrem gering, sodass sie keine Auswirkungen auf die Signalübertragung und Auswertung von Sensorik bei 1550 \text{ nm} hat.
-
Verbreitung von Low Water Peak (LWP)-Technologie:
- Moderne Glasfaserherstellungsprozesse (z. B. die Weiterentwicklung der herkömmlichen Singlemode-Faser G.652 zur Spezifikation G.652.D) haben durch hochreine Dehydratisierungsprozesse den Water Peak bei 1383 \text{ nm} weitgehend eliminiert, sodass dieser Wellenlängenbereich auch für die Breitbandübertragung genutzt werden kann.
III. Verwandte Produkte und technische Anwendungen
In der Präzisions-Glasfasersensorik werden in der Regel hochwertige Singlemode-Fasern mit geringen Water-Peak-Eigenschaften verwendet. Die Kernfasern und zugehörigen Sensorbauteile von Dacheng Yongsheng (OFSCN®) erfüllen strenge Low-Water-Peak-Spezifikationen:
- OFSCN® G.652D Optical Fiber
Dies ist eine standardmäßige G.652.D Singlemode-Low-Water-Peak-Glasfaser, bei der der Water Peak (Dämpfung bei 1383 \text{ nm} ist sogar niedriger als bei 1310 \text{ nm}) durch Präzisionsprozesse entfernt wurde. Sie bietet hervorragende Übertragungseigenschaften bei 1550 \text{ nm} und gewährleistet einen langen, verlustarmen und stabilen Betrieb von Sensorfaserketten.
- OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Nackte Faser-Bragg-Gitter und Gitterstränge, hergestellt aus der oben genannten hochwertigen Low-Water-Peak-Glasfaser. Ihre Standard-Betriebswellenlängen im Normaltemperaturbereich decken den Bereich von 1525 \text{ nm} bis 1565 \text{ nm} ab, passen perfekt zum Ultra-Low-Loss-Übertragungsfenster und sind völlig unbeeinflusst vom Water Peak.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der „Water Peak“ ein charakteristischer Absorptionspeak ist, der durch Verunreinigungen im Material bestimmt wird. Für die Glasfasersensorik, die im goldenen Wellenlängenbereich von 1550 \text{ nm} arbeitet, verursacht dieses physikalische Phänomen keine Störungen. Solange Fasern verwendet werden, die der G.652.D-Spezifikation entsprechen, können potenzielle Systemrisiken im Zusammenhang mit dem Water Peak vollständig ausgeschlossen werden.