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Lasermoden
Besuch in der PTB
Lichtausbreitung und Moden in Glasfasern
(Marcel Wollmann)
Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und somit auch diejenige von Licht wird durch die physikalischen Eigenschaften der Stoffe beeinflußt, in denen die Ausbreitung erfolgt.
Die Lichtleitung im Inneren einer Faser beruht auf der Totalreflexion an Grenzflächen von Medien unterschiedlicher optischer Dichte. Diese optische Dichte wird charakterisiert durch den stoffspezifischen Brechungsindex n, der angibt, wie schnell sich das Licht in ihm ausbreitet.
Der Kern einer Glasfaser besteht aus Quarzglas, dessen Brechzahl im Zentrum am größten ist und nach außen hin immer kleiner wird (2-1,5). Dieser Kern ist von einem Mantel mit einer Brechzahl von ca. 1,2 umgeben.
Je größer der Winkel unter dem ein Lichtstrahl nun auf die Stirnfläche der Faser auftrifft, umso weiter vom Mantel entfernt wird der Strahl totalreflektiert. Der Strahl wird nun abwechselt an gegenüberliegenden Seiten reflektiert und pflanzt sich im Zickzack durch die Faser fort. Zu jedem Auftreffwinkel gehört eine eigene elektromagnetische Welle, die man Eigenwelle oder Mode nennt. Die Abbildung zeigt einige Strahlenverläufe in Abhängigkeit vom Strahlenauftreffwinkel und von der Brechzahlverteilung.
Abb. 36 Die drei faseroptischen Struckturen und
deren jeweiliger Verlauf des Brechungsindexprofiles
Wenn nun mehrere Moden durch eine Glasfaser geführt werden, kommt es durch die Welleneigenschaft des Lichts zu Interferenzerscheinungen. Bei einer zu hohen Zahl von Moden würde es zu Energieüberkopplungen zwischen den einzelnen Moden kommen, was die ungestörte Ausbreitung verhindern würde. Deshalb ist jede Faser nur für eine begrenzte Anzahl von Moden geeignet. Diese Anzahl ist abhängig vom Faserparameter V.
| Es gilt: |
 
|
| Dabei ist: |
a...
| Kerndurchmesser der Faser |
|
nk... |
Brechzahl des Kerns |
|
nm... |
Brechzahl des Mantels |
|
N... |
Anzahl der ausbreitungsfähigen Moden |
Von dem Verhältnis Kerndurchmesser zu Lichtwellenlänge und den Brechzahlen in Kern und Mantel hängt es ab, welche Moden vom Faserkern geführt werden können. Bei konstantem Kerndurchmesser werden mit wachsender Frequenz mehr und mehr Moden existensfähig.
Bei sehr kleinen Kerndurchmessern ist nur eine Welle ausbreitungsfähig, die sogenannte Grundmode.
Bei vorgegebener Wellenlänge kann eine Faser durch geeignete Wahl des Kerndurchmessers und der Brechzahldifferenz nk-nm so dimensioniert werden, daß nur eine gewünschte Anzahl von ausbreitungsfähigen Moden existensfähig ist.
Eine Faser, die nur die Grundmode führt, nennt man Monomodefaser. Diese hat heute eine überragende Bedeutung in der optischen Nachrichtenübertragung.
Fasern, die mehrere Moden führen, werden, Multimodefasern genannt.
Die Aufteilung der Lichtenergie auf die einzelnen Moden hängt am Anfang einer Faser von der Anregung der einzelnen Moden durch das eingekoppelte Licht ab. Im Laufe der Faser gibt es infolge von Störungen wie Durchmesser- und Brechzahlenschwankungen, sowie Krümmungen ständig Energieüberkopplungen von einer Mode zur anderen. Deshalb stellt sich in einer gewissen Entfernung vom Anfang ein bestimmtes statistisches Gleichgewicht zwischen den Moden ein.
Mehrmodenfasern haben heute für technisch anspruchsvolle optische Übertragungssysteme nur noch eine untergeordnete Bedeutung. Sie können aber bei geringeren Anforderungen wegen der günstigeren mechanischen Toleranzen eine wirtschaftlich interesante Alternative zu den Einmodefasern darstellen.
Die Faseroptik hat heute drei verschiedene Anwendungsgebiete: Sie wird für die direkte Übertragung von Bildern und für Beleuchtungszwecke angewandt, sie dient als Kern einer neuen Familie von Sensoren, und sie liefert eine Vielfalt von außergewöhnlichen Wellenleitern für die Fernmeldetechnik.