Arten von Lichtwellenleitern und ihre Unterschiede

Optische Fasern gibt es in vielen Varianten. Je nach Anwendung sind die erforderlichen Funktionen und Leistungen unterschiedlich. Die Klassifizierung von Glasfasern hängt hauptsächlich von der Arbeitswellenlänge, der Brechungsindexverteilung, den Übertragungsarten, den Rohstoffen und den Herstellungsverfahren ab. Für optische Fasern, die in der Kommunikation eingesetzt werden, gelten im Allgemeinen die gleichen Konstruktions- und Herstellungsprinzipien, wie z. B.:
① geringe Dämpfung;
② bestimmte Bandbreite und geringe Dispersion;
③ einfacher Anschluss;
④ einfache Faserzeichnung;
⑤ hohe Zuverlässigkeit;
⑥ relativ einfache Herstellung;
⑦ geringe Kosten.

1. Klassifizierung nach Arbeitswellenlängen

• Ultraviolette optische Fasern
• Optische Fasern für sichtbares Licht
• Optische Nahinfrarot-Fasern
• Optische Infrarot-Fasern

2. Klassifizierung nach Brechungsindexverteilung

• Step-index (SI) Fasern
• Gradientenindex-Fasern (auch Gradientenindex, GI)
• Andere (z. B. dreieckige, W-Typen, Typen mit vertiefter Umhüllung)

3. Klassifizierung nach Übertragungsmodi

• Singlemode-Fasern (einschließlich polarisationserhaltende und nicht-polarisationserhaltende Fasern)
• Multimode-Fasern

4. Klassifizierung nach Rohstoffen

• Optische Fasern aus Siliziumdioxid
• Optische Mehrkomponenten-Glasfasern
• Optische Kunststofffasern
• Zusammengesetzte optische Fasern (wie kunststoffummantelte Fasern, Fasern mit flüssigem Kern)
• Infrarot-Materialfasern

5. Klassifizierung nach Herstellungsverfahren

• Herstellung von Vorformlingen: VAD, CVD, PCVD, MCVD, OCVD
• Faserzeichnung: Stab-in-Rohr-Verfahren und Tiegelverfahren

Optische Siliziumdioxid-Fasern

Optische Fasern aus Siliziumdioxid bestehen hauptsächlich aus Siliziumdioxid (SiO₂), und durch die Einstellung verschiedener Dotierungskonzentrationen kann die Brechungsindexverteilung von Kern und Mantel gesteuert werden. Fasern auf Siliziumdioxidbasis zeichnen sich durch einen geringen Verlust und eine große Bandbreite aus. Im Vergleich zu Lichtwellenleitern aus anderen Materialien bieten Quarzglasfasern außerdem eine Vollspektrumübertragung vom Ultraviolett bis zum nahen Infrarot (190-2500 nm).

Optische Mehrkomponenten-Glasfasern

Mehrkomponenten-Glasfasern werden als Verbundfasern durch Mischung von Oxiden wie Natriumoxid (Na₂O), Boroxid (B₂O₃), Kaliumoxid (K₂O) usw. mit SiO₂ hergestellt. Zu ihren Merkmalen gehören ein niedrigerer Erweichungspunkt als Quarzglas und ein großer Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel.

Kunststoffummantelte optische Fasern

Kunststoffummantelte Fasern verwenden hochreines Quarzglas als Kern und Kunststoffe wie Silikon oder Harz - mit etwas niedrigeren Brechungsindizes als Quarz - als Mantel, wodurch eine Stufenindexfaser entsteht. Im Vergleich zu Quarzglasfasern haben sie einen größeren Kerndurchmesser und eine höhere numerische Apertur (NA). Daher passen sie gut zu LED-Lichtquellen und bieten einen relativ geringen Transmissionsverlust.

Optische Kunststoff-Fasern

Bei Kunststoff-Lichtwellenleitern bestehen sowohl der Kern als auch der Mantel vollständig aus Kunststoff (Polymer). Frühe Produkte wurden hauptsächlich zur Dekoration, zur Beleuchtung und zur optischen Kommunikation über kurze Entfernungen verwendet. Zu den gängigen Rohstoffen gehören PMMA, Polystyrol (PS) und Polycarbonat (PC). Ihre Dämpfung ist durch die C-H-Bindungsstruktur der Polymere begrenzt und erreicht in der Regel einige zehn dB pro Kilometer.

Optische Singlemode-Fasern

Singlemode-Glasfasern sind Fasern, die nur einen Ausbreitungsmodus bei der Betriebswellenlänge übertragen können, was üblicherweise als SMF (Single Mode Fiber) abgekürzt wird. SMFs haben keine Multimode-Dispersion und verfügen im Vergleich zu Multimode-Fasern über eine größere Übertragungsbandbreite.

Optische Multimode-Fasern

Optische Fasern, die mehrere Moden übertragen können, werden als Multimode-Fasern (MMF: Multi Mode Fiber) bezeichnet. Auf der Grundlage der Brechungsindexverteilung werden MMFs in den Typ mit abgestuftem Index (GI) und den Typ mit Stufenindex (SI) unterteilt. Der Brechungsindex von GI-Fasern ist in der Mitte des Kerns am höchsten und nimmt zum Mantel hin allmählich ab. Bei SI-Fasern führen unterschiedliche optische Pfade zu zeitlichen Unterschieden bei der Reflexion und der Vorwärtsübertragung, was zu einer Verzerrung des Ausgangssignals und einer Verengung der Übertragungsbandbreite führt.