Dämpfung der Lichtwellenleiter-Faser

Als Dämpfung bezeichnen wir jegliche Art von Erscheinung, die eine Reduzierung der Stärke des ausgebreiteten Signals verursacht, ohne dabei einen Einfluss auf seine Form zu haben.

Zur mathematischen Beschreibung der durch Dämpfung verursachten Leistungsverluste im Lichtwellenleiter wird ein Parameter eingesetzt, der als Einheitsdämpfung bezeichnet wird a, und auf einem Abschnitt von 1 km gemessen wird. Er wird in dB/km ausgedrückt und mittels folgender Formel festgelegt:

P(l₁) und P(l₂) – optische Leistung, gemessen im Lichtwellenleiter in den Punkten l₁ und l₂ die voneinander um L entfernt sind

Die Dämpfung wächst exponentiell zusammen mit der Länge der Faser und begrenzt somit die Reichweite der Übertragung. Ein Anstieg der Dämpfung um 3 dB verursacht einen Leistungsabfall des übertragenen Signals um 50 %.

Die durch Dämpfung verursachten Leistungsverluste setzen sich aus Erscheinungen zusammen, deren Grundlage beim Material liegt, die mit den physischen Eigenschaften des Kernmaterials selbst verbunden sind, sowie Wellenleiter-Verluste, die aus der Konstruktion des Lichtwellenleiter (Abb. 1) folgen. Zu den Materialverlusten werden jegliche Art von Absorption sowie Streuung gezählt. Wellenleiterverluste hingegen sind ein Energieverlust, der u. a. durch Mikro- und Makrobiegungen, eine ungleichmäßige Verteilung der Brechzahl an der Grenze Kern-Mantel oder Schwankungen des Durchmessers oder der Form dieser Grenze verursacht wird.

Absorption ist eine Erscheinung, die auf der Übermittlung der Energie der elektromagnetischen Welle an das Material des Mediums, in dem die Welle sich ausbreitet, beruht (Abb. 2). Diese Energie wird später in Form von Teilchenschwingungen (vor allem Wärmeschwingungen) oder Emission ausgeschüttet. Energie kann von Teilchen nur in streng festgelegten Portionen absorbiert werden (Quanten), die durch die Frequenz der elektromagnetischen Welle bestimmt werden, ν. Die Absorption eines Photons führt zur Übermittlung der Energie, die zur Anregung des Teilchens zu einem höheren Energieniveau erforderlich ist, während der Lichtstrom gleichzeitig verringert wird.

In Telekommunikations- und Multimedia-Lichtwellenleitern spielt die Absorption durch Verunreinigungen, vor allem -OH Ionen die größte Rolle. Eine geringere Bedeutung hat die Absorption im Infrarot- sowie im UV -Bereich.

Für Wellen mit Längen von 0,95 μm und 1,38 μm hat die Gegenwart von -OH Ionen eine entscheidenden Bedeutung für optische Verluste, die entsprechend auf der dritten und zweiten Schwingungs-Harmonischen auftreten. Bei einer Wellenlänge vo 1,23 μm überlagern sich die Schwingungen der -OH Ionen mit den Bindungen von Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ sowie H₂ (Abb. 1 – B). Die Gegenwart von -OH Ionen ist ein Überbleibsel von der Verunreinigung mit Wasserdampf während des Produktionsverfahrens. Durch Beifügung entsprechender Dotierungssubstanzen, wirkt sich dies nicht nur auf einer Änderung der Brechzahl von Licht n, sondern auch auf den Anstieg der Absorption aus (Abb. 3).

Abb. 3. Abhängigkeit der Einheitsdämpfung [a] von der Änderung der Brechzahl Δn im einmodigen Quarz-Lichtwellenleiter mit einer Wellenlänge von 1 μm

Die UV-Absorption erreicht ihr Maximum bei einer Wellenlänge von 0,2 μm. Dies ist mit dem Herausschlagen von Valenzelektronen in das Leitungsband durch die Photonen verbunden. Für längere Wellen als 0,8 μm ist die Absorption im UV Bereich vernachlässigbar (Abb. 1 – C).

Aus den Eigenschaften von Quarzglas selbst folgt auch, dass die Absorption im Infrarotbereich zusammen mit dem Anstieg der Wellenlänge um mehr als 1,6 μm ebenfalls ansteigt (Abb. 1 – D). Bei einer Wellenlänge von 9 μm fallen die kristallinen Strukturen von Si0₂ in Resonanz, in Folge dessen entstehen Dämpfungsmaxima und der Lichtwellenleiter ist nicht länger transparent.

Streuung ist die Änderung der ausgebreiteten Streuung, die durch die Inhomogenität des Materials auf Molekularniveau verursacht wird. spowodowana niejednorodnościami materiału na poziomie cząsteczkowym.
Eine dominierende Rolle in Telekommunikations- und Multimediakabeln spielt die Rayleigh-Streuung, es kommen auch Erscheinungen der Mie-Streuung sowie erzwungene Raman- und Brillouin-Streuungen vor.

Die Ursache für das Auftreten von Rayleigh-Streuung (RR) sind Inhomogenitäten des Kernmaterials (verursacht durch die nicht perfekte Struktur von Glas) mit Größen, die deutlich kleiner als 0,03 λ sind. RR ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge des Lichts (Abb. 1 – A), wodurch gleichzeitig die Nützlichkeit von Quarz-Lichtwellenleitern für Wellen mit weniger als 0,7 μm bestimmt wird. Die von RR abhängige Dämpfung (a_R) wird von folgender Formel beschrieben:

k – Materialkonstante, die im Bereich zwischen 0,7 und 0,8 liegt (abhängig von der Zahl der Dotierungen)

RR verläuft auf folgende Weise: die elektrische Komponente der einfallenden elektromagnetischen Welle induziert ein elektrisches Dipolmoment, das mit der Frequenz dieser Welle schwingt. Der Dipol absorbiert ein Lichtquant, wonach dieses sofort mit einer Frequenz emittiert wird, die der Schwingungsfrequenz des Dipols entspricht und somit auch der Frequenz der einfallenden Welle (Abb. 4). Die Richtung der gestreuten Welle ist zufällig, mit geringerer Wahrscheinlichkeit werden jedoch zur Achse des Dipols parallele Wellen emittiert.

Mie-Streuung (RM) kommt dann vor, wenn die Lichtwelle an Teilchen oder Molekülansammlungen mit einer Größe gestreut wird, die mit dieser Wellenlänge vergleichbar oder größer als diese ist. Dieser Prozess ist nicht unmittelbar mit der Wellenlänge der gestreuten Welle verbunden, sondern mit dem Quotienten der Teilchengröße und der Wellenlänge. Er wird durch den Parameter α beschrieben.

r – Teilchenradius

Wenn die Teilchengröße mit der Wellenlänge vergleichbar ist, ist die Streuung (näherungsweise) gleichmäßig in allen Richtungen. Zusammen mit dem Anstieg des Quotienten r/λ steigt auch die Asymmetrie der beobachteten Streuung (Abb. 5). Im Fall, wenn r>>λ, wird die Streuung in Richtung der gestreuten Welle dominierent (Streuung nach vorne), und die Änderung der Wellenlänge der einfallenden Welle ist praktisch vernachlässigbar.

Abb. 5. Mie-Streuung. Streuung an Unperfektheiten des Kernmaterials des Lichtwellenleiters: A) – vergleichbare/größere als die Wellenlänge des Lichts, B) – deutlich größer als die Wellenlänge des Lichts

Durch die Perfektionierung des technologischen Produktionsverfahrens von Lichtwellenleitern gelang es (zum wesentlichen Teil) die Gasbläschen zu eliminieren, sowie Ansammlungen der Dotierungselemente und Kristallite, wodurch die durch RM verursachten Leistungsverluste auf ein Niveau von 0,03 dB/km reduziert werden konnten.

Die erzwungene Brillouin-Streuung (SBS) und erzwungene Raman-Streuung (SRS) sind nicht-lineare Effekte. Zur Wechselwirkung zwischen der elektromagnetischen Welle und dem Material des Mediums kommt es nach der Überschreitung des Grenzwerts der optischen Leistung.

SBS tritt auf, wenn in den Lichtwellenleitern Moden mit einer optischen Leistung von etwa einem Dutzend mW geführt werden. Dabei entsteht eine rückwirkende Welle, zusätzlich erfolgt die Übertragung der Photonenenergie durch die Materie des Mediums an die akustischen Phononen. Darüber hinaus kommt es zu einer Verschiebung der Frequenz der geführten Mode um:

n – Brechzahl des Lichts
ν – Geschwindigkeit der akustischen Welle im Medium

SRS tritt nach der Überschreitung der optischen Leistung im Bereich 1 W auf und beruht auf der Wechselwirkung der geführten Moden mit den molekularen Vibrationen des Medium-Materials. Licht, das gestreut wird, übermittelt ein Energiequant des Photons dem streuenden Teilchen und ändert seine Frequenz. Die Folge dessen ist eine Reduzierung der optischen Leistung der Moden mit höherer Frequenz (sondierende Moden) sowie Steigerung der Leistung der (gepumpten) Welle mit einer niedrigeren Frequenz als die Stokes-Frequenz. In Silizium-Lichtwellenleitern werden alle zwei Wellen mit einer Frequenz im Bereich von 15 THz miteinander durch SRS gekoppelt.

Eine weitere Verlustquelle sind Biegungen der Glasfaser, sowohl in mikro- als auch makroskopischer Skala.

Die Welle, die sich entlang des Lichtwellenleiters ausbreitet und auf eine Biegung trifft, trifft auf die Grenze zwischen Mantel und Kern unter einem anderen Winkel als auf gerader Linie des Lichtwellenleiters. Wenn der Einfallwinkel kleiner als der Grenzwinkel ist, treten keine Erscheinungen der kompletten Reflexion auf. Die geführten Moden unterliegen einer teilweisen Umwandlung in Radiationsmodes, die Folge dessen ist die Brechung außerhalb des Kerns des Lichtwellenleiters, sowie außerhalb des Mantels (Abb. 4). Ein Teil der Energie geht also verloren.

Die an den Biegungen erzeugten Verluste sind unvermeidbar, man kann diese durch die Reduzierung der Anzahl von Biegungen minimieren, und an Stellen, an denen diese notwendig sind – durch die Anwendung von Biegungen mit möglichst großem Krümmungsradius. Jeder Lichtwellenleiter-Hersteller gibt den minimalen Krümmungsradius an, der bei der Kabelverlegung zu berücksichtigen ist. Dies ist ein Parameter, der nicht verändert werden darf, um die Parameter des Kabels nicht wesentlich zu verändern.

Mikrobiegungen entstehen während der Produktion der Fasern. Hinter diesem Begriff steckt jegliche Art von Unregelmäßigkeit, in Form der Grenze zwischen Kern und Mantel, mit sowohl zufälligem Charakter (Mikrosprünge, Ansammlungen von Dotierungen, Gablasen), als auch zyklischem Charakter (z. B. Änderungen des Durchmessers oder der Geometrie des Kerns sowie Mikrosprünge durch die periodische Vergrößerung der Spannung während der Aufwickelung der Faser auf der Trommel).

Mikrobiegungen in Multimode-Lichtwellenleitern führen zur Koppelung der Moden und Umwandlung der Energien der Moden, die zu den Radiations-Moden geführt werden. In Monomode-Lichtwellenleitern sind sie die Ursache für das Verschwimmen der Moden.