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Lichtleiter,

 

Lichtwellenleiter.

Lichtleiter,

 

allgemein jede Vorrichtung aus dielektrischem Material, die geeignet ist, Licht zu leiten. Nach dem Zweck, dem die Lichtleitung dient, werden Lichtleiter unterteilt in Lichtleiter im engeren Sinn, bei denen es nur auf die Leitung der Lichtenergie ankommt (z. B. für Beleuchtungszwecke, wie in einfachen Endoskopen, oder zur Übertragung der Lichtblitze von Szintillationsdetektoren), in Bildleiter für die rein optische Bildübertragung (Glasfaseroptik) sowie in Lichtwellenleiter als Bestandteile optischer Übertragungssysteme, bei denen das Licht beziehungsweise die Lichtwellen als Träger entsprechend codierter Informationen beliebiger Art dienen.

 

Lichtwellenleiter (LWL) sind dünne, runde Fasern (Lichtleitfasern) aus Quarzglas (Glasfasern) mit Außendurchmessern bis etwa 150 μm (vornehmlich für große Entfernungen) oder aus Kunststoff (Plast-LWL) mit Durchmessern von etwa 1 mm (für kurze bis mittlere Entfernungen) zur Signalübertragung mit geführten Lichtwellen. Um diese Führung zu gewährleisten, müssen LWL bestimmte Brechzahlprofile besitzen, d. h. wohldefinierte Formen der Abhängigkeit der Brechzahl n vom Radius r. Daher bestehen alle LWL-Typen aus einer Kernfaser und einem Mantel. Bei Stufenprofil-LWL (Stufenprofilfasern) ist die Brechzahl n₁ über den ganzen Querschnitt des Kerns konstant und fällt an der Grenze zum Mantel scharf auf dessen ebenfalls konstanten Wert n₂ ab. Bei Gradientenprofil-LWL (Gradientenfasern) verringert sich die Brechzahl im Kern von einem Wert n₁ auf dessen Achse bis zu dem wiederum konstanten Wert n₂ des Mantels, bei so genannten Potenzprofilen nach der Formel

 

 

Dabei ist Δ = (n²₁ — n²₂) / (2n²₁) die normierte Brechzahldifferenz, a der Kernradius und g die Potenz oder der Profilexponent. LWL mit einem Parabelprofil (g = 2) haben besonders günstige Lichtführungseigenschaften; die Bezeichnung Gradientenprofil-LWL wird v. a. für sie verwendet.

 

Die in LWL ausbreitungsfähigen Lichtwellen heißen Moden. Sie unterscheiden sich voneinander durch den Winkel, unter dem die Wellennormale (d. h. der der Welle zuzuordnende Lichtstrahl) die Mittelachse der Faser schneidet. Bei typischen Kerndurchmessern von 50 μm und Brechzahlen von n₁ = 1,48 und n₂ = 1,46 sind sowohl in Stufen- als auch in Gradienten-LWL mehrere Moden ausbreitungsfähig (Mehrmoden-LWL), bei kleinerem Kerndurchmesser (typischerweise 9 μm) dagegen nur der Grundmode (Einmoden-LWL, Monomodefaser), der sich längs der Mittelachse ausbreitet, als Welle jedoch erheblich in das Mantelmaterial eindringt. Die Lichtführung beim Stufenprofil-LWL erfolgt durch Totalreflexion an der Grenzfläche zum Mantel, bei Gradienten-LWL durch Brechung infolge der radialen Abnahme der Brechzahl. Wegen der unterschiedlichen Reflexionswinkel der verschiedenen Moden haben diese auch voneinander abweichende Laufzeiten, weswegen Mehrmoden-LWL im Allgemeinen eine ausgeprägte Modendispersion aufweisen, der sich infolge der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl noch eine Materialdispersion (chromatische Dispersion) überlagert.

 

Lichtleiter sind in der Telekommunikation und in der optischen Datenverarbeitung von besonderer Bedeutung. Moden- und Materialdispersion führen bei der Signalübertragung zu Laufzeitverzerrungen, durch die die übertragbare Bandbreite und mit dieser die erreichbare Datentransferrate verringert wird. Ein vorrangiges Ziel der LWL-Technik ist daher die Verringerung oder Unterdrückung von Laufzeitverzerrungen, was durch geeignete Wahl von Wellenlänge und spektraler Breite der Lichtquelle sowie des Materials und des Brechzahlprofils des LWL möglich ist. Bei Gradienten-LWL lässt sich durch Wahl eines Parabelprofils erreichen, dass der längere Weg der Moden mit größerer Abweichung von der Achse durch die bei größeren Radien höhere Lichtgeschwindigkeit kompensiert wird, sodass nur noch die wesentlich geringere Materialdispersion auftritt. Ebenso wie bei den Monomodefasern kann der Einfluss der Materialdispersion durch den Einsatz kohärenter Lichtquellen mit geringer spektraler Breite minimiert werden; dafür stehen Halbleiterlaser mit Wellenlängen bei 850, 1 300 und 1 550 nm zur Verfügung.

 

Eine weitere wichtige Kenngröße für LWL ist die Dämpfung, d. h. die Abnahme der nutzbaren Lichtleistung auf dem Weg durch den LWL. Sie beruht v. a. auf der Lichtstreuung an Inhomogenitäten der Faser (Rayleigh-Streuung) und wird in Dezibel pro Kilometer (dB/km) angegeben. Da Einmoden-LWL bei laufender Fertigung mit nur 0,2 dB/km (für Licht von 1 500 nm) ein überlegenes Dämpfungsverhalten zeigen, werden die bislang vorherrschenden Gradienten-LWL (Dämpfung etwa 0,5 dB/km; im Vergleich dazu Fensterglas für sichtbares Licht: etwa 0,5 dB/cm) zunehmend von ihnen verdrängt. Ohne Zwischenverstärkung können heute Datenraten von 10 Gbit/s über 100 km übertragen werden; in Laborexperimenten wurden unter Benutzung optischer Solitonen noch höhere Werte erreicht.

 

LWL sind sowohl optisch als auch mechanisch sehr empfindlich und werden deshalb mit einer Beschichtung als Schutzhülle versehen. Durch deren im Vergleich zum Mantel größere Brechzahl wird außerdem erreicht, dass unerwünscht in den Mantel eingekoppelte Lichtwellen innerhalb weniger Meter im Kunststoff der Beschichtung absorbiert werden. Die beschichteten LWL werden für die Verlegung gebündelt, zum Teil auch verseilt, bewehrt und zu LWL-Kabeln zusammengefasst.

 

Literatur:

 

M. Haisch: Unterss. über L. für die Übertragung hoher Laserenergien (1991);

 

Lichtwellenleiter-Technik. Grundlagen, Verbindungs- u. Meßtechnik, Systeme, Trends, Beitrr. von D. Eberlein u. a. (2000).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium

 

Photonik: Informationsverarbeitung mit Licht

 

Photonik und Mikrotechnik: Von der Videokamera bis zum Flachbildschirm