Haupt >> Allgemeine Physik >> Optische Faser

Optische Faser

Ein optische Faser ist eine Glas- oder Kunststofffaser, die zur Führung bestimmt ist hell entlang seiner Länge durch interne Totalreflexion. Glasfaseroptik ist der Zweig der angewandten Wissenschaft und Ingenieurwesen mit solchen optischen Fasern beschäftigt. Lichtwellenleiter sind in der faseroptischen Kommunikation weit verbreitet, was eine digitale Datenübertragung über größere Entfernungen und mit höheren Datenraten als elektronische Kommunikation ermöglicht. Sie werden auch zur Bildung von Sensoren und in einer Vielzahl anderer Anwendungen verwendet.

Das Funktionsprinzip von Lichtwellenleitern gilt für eine Reihe von Varianten, darunter Multimode-Lichtwellenleiter, Singlemode-Lichtwellenleiter, Gradientenindex-Lichtwellenleiter und Stufenindex-Lichtwellenleiter. Aufgrund der Physik der optischen Faser sind spezielle Verfahren zum Spleißen von Fasern und zum Verbinden derselben mit anderen Geräten erforderlich. Zur Herstellung optischer Fasern werden verschiedene Methoden verwendet, und die Fasern werden je nach Verwendungszweck auch in verschiedene Arten von Kabeln eingebaut.

Das Lichtleitprinzip hinter optischen Fasern wurde erstmals in der viktorianischen Zeit demonstriert, aber moderne optische Fasern wurden erst ab den 1950er Jahren entwickelt. Optische Fasern wurden in den späten 1970er Jahren für die Verwendung in der Kommunikation praktisch, und seitdem wurden mehrere technische Fortschritte gemacht, um die Reichweite und die Geschwindigkeitsfähigkeit von optischen Fasern zu erweitern und die Kosten von Faserkommunikationssystemen zu senken.



Anwendungen

Glasfaserkommunikation

Die Glasfaser kann als Medium für Telekommunikation und Vernetzung verwendet werden, da sie flexibel ist und wie Kabel gebündelt werden kann. Obwohl Fasern aus transparentem Kunststoff, Glas oder einer Kombination aus beidem bestehen können, sind die in Langstrecken-Telekommunikationsanwendungen verwendeten Fasern aufgrund der geringeren optischen Dämpfung immer Glas. In der Kommunikation werden sowohl Multimode- als auch Singlemode-Fasern verwendet, wobei Multimode-Fasern hauptsächlich für kurze Entfernungen (bis zu 500 m) und Singlemode-Fasern für längere Entfernungen verwendet werden Verknüpfungen . Aufgrund der engeren Toleranzen, die zum Einkoppeln von Licht in und zwischen Singlemode-Fasern erforderlich sind, sind Singlemode-Sender, -Empfänger, -Verstärker und andere Komponenten im Allgemeinen teurer als Multimode-Komponenten.

Faseroptische Sensoren

Optische Fasern können als Sensoren verwendet werden, um Dehnung, Temperatur, Druck und andere Parameter zu messen. Die geringe Größe und die Tatsache, dass am entfernten Ort keine elektrische Energie benötigt wird, verleiht dem faseroptischen Sensor bei bestimmten Anwendungen Vorteile gegenüber herkömmlichen elektrischen Sensoren.

Optische Fasern werden als Hydrophone für seismische oder SONAR-Anwendungen verwendet. Es wurden Hydrophonsysteme mit mehr als 100 Sensoren pro Faserkabel entwickelt. Hydrophon-Sensorsysteme werden von der Ölindustrie sowie den Marinen einiger Länder verwendet. Es werden sowohl am Boden montierte Hydrophon-Arrays als auch gezogene Streamer-Systeme verwendet. Das deutsche Unternehmen Sennheiser hat ein Mikrofon entwickelt, das mit einem Laser und Glasfasern arbeitet.

Optische Fasersensoren für Temperatur und Druck wurden für die Bohrlochmessung in Ölbohrlöchern entwickelt. Der faseroptische Sensor ist für diese Umgebung gut geeignet, da er bei Temperaturen arbeitet, die für Halbleitersensoren zu hoch sind (Distributed Temperature Sensing).

Eine weitere Verwendung der optischen Faser als Sensor ist das optische Gyroskop, das in der Boeing 767 und in einigen Automodellen (für Navigationszwecke) verwendet wird, und die Verwendung in Wasserstoff-Mikrosensoren.

Andere Verwendungen von Lichtwellenleitern

  Eine fliegende Scheibe, die von Glasfasern beleuchtet wird   Vergrößern Eine fliegende Scheibe, die von Glasfasern beleuchtet wird

Fasern werden in großem Umfang in Beleuchtungsanwendungen verwendet. Sie werden als Lichtleiter in medizinischen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen helles Licht ohne klare Sichtlinie auf ein Ziel gerichtet werden muss. In einigen Gebäuden werden optische Fasern verwendet, um Sonnenlicht vom Dach zu anderen Teilen des Gebäudes zu leiten (siehe nicht abbildende Optik). Glasfaserbeleuchtung wird auch für dekorative Anwendungen verwendet, einschließlich Schilder, Kunst , und künstliche Weihnachtsbäume. Swarovski-Boutiquen verwenden optische Fasern, um ihre Kristallvitrinen aus vielen verschiedenen Winkeln zu beleuchten und dabei nur eine Lichtquelle zu verwenden. Glasfaser ist ein wesentlicher Bestandteil des lichtdurchlässigen Betonbauprodukts LiTraCon.

Lichtwellenleiter werden auch in der Abbildungsoptik verwendet. Ein kohärentes Faserbündel wird manchmal zusammen mit Linsen für ein langes, dünnes Bildgebungsgerät namens Endoskop verwendet, mit dem Objekte durch ein kleines Loch betrachtet werden können. Medizinische Endoskope werden bei minimal-invasiven explorativen oder chirurgischen Eingriffen (Endoskopie) eingesetzt. Industrielle Endoskope (siehe Fiberskop oder Endoskop) werden verwendet, um alles zu inspizieren, was schwer zugänglich ist, wie z. B. das Innere von Strahltriebwerken.

Eine optische Faser, die mit bestimmten Seltenerdelementen wie z Erbium kann als Verstärkungsmedium eines Lasers oder eines optischen Verstärkers verwendet werden. Seltenerd-dotierte optische Fasern können verwendet werden, um eine Signalverstärkung bereitzustellen, indem ein kurzer Abschnitt einer dotierten Faser in eine reguläre (undotierte) optische Faserleitung gespleißt wird. Die dotierte Faser wird optisch mit einer zweiten Laserwellenlänge gepumpt, die zusätzlich zur Signalwelle in die Leitung eingekoppelt wird. Beide Lichtwellenlängen werden durch die dotierte Faser übertragen, die Energie von der zweiten Pumpwellenlänge auf die Signalwelle überträgt. Der Prozess, der die Verstärkung verursacht, ist stimulierte Emission.

Mit einem Wellenlängenschieber dotierte optische Fasern werden zum Sammeln von Szintillationslicht verwendet Physik Experimente.

Lichtwellenleiter können verwendet werden, um Elektronik mit geringer Leistung (etwa ein Watt) in einer schwierigen elektrischen Umgebung zu versorgen. Beispiele hierfür sind Elektronik in Hochleistungsantennenelementen und Messgeräte, die in Hochspannungsübertragungsgeräten verwendet werden.

Funktionsprinzip

Eine optische Faser ist ein zylindrischer dielektrischer Wellenleiter, der Licht entlang seiner Achse durch den Prozess der Totalreflexion überträgt. Die Faser besteht aus a Ader umgeben von einer Mantelschicht. Um das optische Signal im Kern einzuschließen, muss der Brechungsindex des Kerns größer sein als der des Mantels. Die Grenze zwischen Kern und Mantel kann entweder abrupt sein, z Step-Index-Faser , oder allmählich, in Graded-Index-Faser .

Multimode-Faser

  Die Ausbreitung von Licht durch eine optische Multimode-Faser.   Vergrößern Die Ausbreitung von Licht durch eine Multimode-Glasfaser.

Fasern mit großem (größer als 10 μm) Kerndurchmesser können durch geometrische Optik analysiert werden. Solche Faser heißt Multimode-Faser , aus der elektromagnetischen Analyse (siehe unten). In einer Stufenindex-Multimode-Faser werden Lichtstrahlen durch Totalreflexion entlang des Faserkerns geführt. Strahlen, die die Kern-Mantel-Grenze in einem hohen Winkel (gemessen relativ zu einer Linie senkrecht zur Grenze) treffen, der größer als der Grenzwinkel für diese Grenze ist, werden vollständig reflektiert. Der kritische Winkel (minimaler Winkel für interne Totalreflexion) wird durch den Brechungsindexunterschied zwischen Kern- und Mantelmaterial bestimmt. Strahlen, die in einem kleinen Winkel auf die Grenze treffen, werden vom Kern in den Mantel gebrochen und übertragen kein Licht und somit keine Information entlang der Faser. Der Grenzwinkel bestimmt den Akzeptanzwinkel der Faser, der oft als numerische Apertur angegeben wird. Eine hohe numerische Apertur ermöglicht es dem Licht, sich entlang der Faser in Strahlen sowohl nahe an der Achse als auch unter verschiedenen Winkeln auszubreiten, wodurch eine effiziente Lichteinkopplung in die Faser ermöglicht wird. Diese hohe numerische Apertur erhöht jedoch die Dispersionsmenge, da Strahlen mit unterschiedlichen Winkeln unterschiedliche Weglängen haben und daher unterschiedliche Zeiten benötigen, um die Faser zu durchqueren. Eine niedrige numerische Apertur kann daher wünschenswert sein.

Bei Gradientenfaser nimmt der Brechungsindex im Kern zwischen der Achse und dem Mantel kontinuierlich ab. Dies bewirkt, dass Lichtstrahlen sanft gebeugt werden, wenn sie sich dem Mantel nähern, anstatt abrupt von der Kern-Mantel-Grenze reflektiert zu werden. Die resultierenden gekrümmten Pfade verringern die Mehrpfaddispersion, da Strahlen mit hohem Winkel mehr durch die Peripherie des Kerns mit niedrigerem Index passieren als durch das Zentrum mit hohem Index. Das Indexprofil wird gewählt, um den Unterschied in den axialen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Strahlen in der Faser zu minimieren. Dieses ideale Indexprofil kommt einer parabolischen Beziehung zwischen dem Index und dem Abstand von der Achse sehr nahe.

Singlemode-Faser

  Eine typische optische Singlemode-Faser mit den Durchmessern der Komponentenschichten.   Vergrößern Eine typische optische Singlemode-Faser mit den Durchmessern der Komponentenschichten.

Fasern mit einem Kerndurchmesser von weniger als etwa dem Zehnfachen der Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts können nicht unter Verwendung geometrischer Optik modelliert werden. Stattdessen muss es als elektromagnetische Struktur durch Lösung von analysiert werden Maxwellsche Gleichungen wie auf die elektromagnetische Wellengleichung reduziert. Die elektromagnetische Analyse kann auch erforderlich sein, um Verhaltensweisen wie Speckle zu verstehen, die auftreten, wenn sich kohärentes Licht in Multimode-Fasern ausbreitet. Als optischer Wellenleiter unterstützt die Faser einen oder mehrere begrenzte transversale Moden, durch die sich Licht entlang der Faser ausbreiten kann. Glasfaser, die nur einen Modus unterstützt, wird als Single-Mode oder bezeichnet Mono-Modus Faser. Das Verhalten von Multimode-Fasern mit größerem Kern kann auch mithilfe der Wellengleichung modelliert werden, was zeigt, dass eine solche Faser mehr als einen Ausbreitungsmodus unterstützt (daher der Name). Die Ergebnisse einer solchen Modellierung von Multimode-Fasern stimmen ungefähr mit den Vorhersagen der geometrischen Optik überein, wenn der Faserkern groß genug ist, um mehr als ein paar Moden zu unterstützen.

Die Wellenleiteranalyse zeigt, dass die Lichtenergie in der Faser nicht vollständig im Kern eingeschlossen ist. Stattdessen wandert insbesondere in Singlemode-Fasern ein erheblicher Teil der Energie im gebundenen Modus als evaneszente Welle im Mantel.

Die gebräuchlichste Art von Singlemode-Fasern hat einen Kerndurchmesser von 8 bis 10 μm und ist für den Einsatz im nahen Infrarot ausgelegt. Bemerkenswert ist, dass die Modenstruktur von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängt, so dass diese Faser tatsächlich eine kleine Anzahl zusätzlicher Moden bei sichtbaren Wellenlängen unterstützt. Im Vergleich dazu werden Multimode-Fasern mit Kerndurchmessern von nur 50 Mikrometern und Hunderten von Mikrometern hergestellt.

Spezialfaser

Einige optische Fasern für spezielle Zwecke sind mit einem nicht zylindrischen Kern und/oder einer Mantelschicht konstruiert, normalerweise mit einem elliptischen oder rechteckigen Querschnitt. Dazu gehören polarisationserhaltende Fasern und Fasern, die zur Unterdrückung der Ausbreitung von Flüstergaleriemoden ausgelegt sind.

Materialien

Optische Glasfasern werden fast immer aus Siliziumdioxid hergestellt, aber einige andere Materialien wie Fluorzirkonat-, Fluoraluminat- und Chalkogenidgläser werden für Infrarotanwendungen mit längerer Wellenlänge verwendet. Wie andere Gläser haben diese Gläser einen Brechungsindex von etwa 1,5. Typischerweise beträgt der Unterschied zwischen Kern und Mantel weniger als ein Prozent.

Plastic Optical Fiber (POF) ist üblicherweise Stufenindex-Multimode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 1 mm oder größer. POF hat typischerweise eine viel höhere Dämpfung als Glasfaser (d. h. die Amplitude des darin enthaltenen Signals nimmt schneller ab), 1 dB/m oder mehr, und diese hohe Dämpfung begrenzt die Reichweite von POF-basierten Systemen.

Fasersicherung

Bei hohen optischen Intensitäten über 2 Megawatt pro Quadratzentimeter, wenn eine Faser einem Stoß ausgesetzt oder anderweitig plötzlich beschädigt wird, a Faser Sicherung kann auftreten. Die Reflexion von der Beschädigung verdampft die Faser unmittelbar vor dem Bruch, und dieser neue Defekt bleibt reflektierend, sodass sich die Beschädigung mit 1–3 Metern pro Sekunde zurück zum Sender ausbreitet , , . Das offene Faserkontrollsystem, das im Falle eines Faserbruchs für Augenlasersicherheit sorgt, kann auch die Ausbreitung der Fasersicherung effektiv stoppen . In Situationen, wie z. B. bei Unterwasserkabeln, in denen hohe Leistungspegel ohne die Notwendigkeit einer offenen Fasersteuerung verwendet werden könnten, kann eine 'Fasersicherungs' -Schutzvorrichtung am Sender den Stromkreis unterbrechen, um Schäden zu vermeiden.

Herstellung

Eine optische Faser wird hergestellt, indem zuerst eine Faser mit großem Durchmesser konstruiert wird Vorform , mit einem sorgfältig kontrollierten Brechungsindexprofil, und dann ziehen die Vorform, um die lange, dünne optische Faser zu bilden. Die Vorform wird üblicherweise durch drei chemische Dampfabscheidungsverfahren hergestellt: Innenbedampfung , Außenbedampfung , und axiale Dampfabscheidung .

Mit Innenbedampfung wird ein etwa 40 cm langes hohles Glasrohr, bekannt als 'Vorform', horizontal angeordnet und langsam auf einer Drehbank gedreht, und Gase wie Siliziumtetrachlorid (SiCl 4 ) oder Germaniumtetrachlorid (GeCl 4 ) mit injiziert werden Sauerstoff am Ende des Rohres. Die Gase werden dann mit einem externen Wasserstoffbrenner erhitzt, wodurch die Temperatur des Gases auf 1900 Kelvin gebracht wird, wo die Tetrachloride mit Sauerstoff reagieren, um Siliziumdioxid oder Germaniumoxid zu erzeugen ( Germanium oxid) Partikel. Wenn die Reaktionsbedingungen so gewählt werden, dass diese Reaktion im gesamten Rohrvolumen in der Gasphase ablaufen kann, spricht man von dieser Technik, im Gegensatz zu früheren Techniken, bei denen die Reaktion nur auf der Glasoberfläche stattfand modifizierte chemische Gasphasenabscheidung .

Die Oxidpartikel agglomerieren dann zu großen Partikelketten, die sich anschließend als Ruß an den Rohrwänden ablagern. Die Ablagerung ist auf den großen Temperaturunterschied zwischen dem Gaskern und der Wand zurückzuführen, der bewirkt, dass das Gas die Partikel nach außen drückt (dies wird als Thermophorese bezeichnet). Der Brenner wird dann entlang der Länge des Rohrs auf und ab bewegt, um das Material gleichmäßig abzuscheiden. Nachdem der Brenner das Ende des Rohres erreicht hat, wird er dann wieder zum Anfang des Rohres gebracht und die abgeschiedenen Partikel werden dann zu einer festen Schicht geschmolzen. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine ausreichende Materialmenge abgelagert wurde. Für jede Schicht kann die Zusammensetzung durch Variieren der Gaszusammensetzung variiert werden, was zu einer präzisen Steuerung der optischen Eigenschaften der fertigen Faser führt.

Bei der Außenbedampfung oder der axialen Bedampfung wird das Glas durch gebildet Flammenhydrolyse , eine Reaktion, bei der Siliciumtetrachlorid und Germaniumtetrachlorid durch Reaktion mit Wasser oxidiert werden (H zwei O) in einer Knallgasflamme. Bei der Außenbedampfung wird das Glas auf einen massiven Stab aufgebracht, der vor der Weiterverarbeitung entfernt wird. Bei der axialen Dampfabscheidung wird ein Kurzschluss Samenstange verwendet und an seinem Ende eine poröse Vorform aufgebaut, deren Länge nicht durch die Größe des Quellstabs begrenzt ist. Die poröse Vorform wird durch Erhitzen auf etwa 1800 Kelvin zu einem transparenten, festen Vorformling verfestigt.

Der Vorformling, wie auch immer er konstruiert ist, wird dann in eine als a bekannte Vorrichtung eingebracht Zeichnungsturm , wo die Preform-Spitze erhitzt und die optische Faser als Schnur herausgezogen wird. Durch Messen der resultierenden Faserbreite kann die Spannung auf der Faser gesteuert werden, um die Faserdicke beizubehalten.

Dieser Herstellungsprozess wird von mehreren Glasfaserunternehmen durchgeführt, darunter 3M, Corning Inc. und Molex. Darüber hinaus gibt es verschiedene Hersteller von Glasfaserkomponenten, Montagehäuser und Anbieter von kundenspezifischen Glasfasern.

Glasfaserkabel

Bei praktischen Fasern ist die Ummantelung üblicherweise mit einem zähen Harz beschichtet Puffer Schicht, die weiter umgeben sein kann von a Jacke Schicht, meist Kunststoff. Diese Schichten verleihen der Faser Festigkeit, tragen aber nicht zu ihren optischen Wellenleitereigenschaften bei.

Für Innenanwendungen ist die ummantelte Faser im Allgemeinen mit einem Bündel aus flexiblem Faserpolymer (z. B. Kevlar) umschlossen. starke Mitglieder , in einer leichten Kunststoffhülle, um ein einfaches Kabel zu bilden. Jedes Ende des Kabels kann sein beendet mit einem speziellen Glasfaserstecker, um ein einfaches Anschließen und Trennen von Sende- und Empfangsgeräten zu ermöglichen.

Für den Einsatz in anstrengenderen Umgebungen ist eine wesentlich robustere Kabelkonstruktion erforderlich. Im Bündeladerkonstruktion Die Faser wird spiralförmig in halbstarre Rohre verlegt, wodurch sich das Kabel dehnen kann, ohne die Faser selbst zu dehnen. Dies schützt die Faser vor Spannungen während der Verlegung und durch Temperaturänderungen. Alternativ kann die Faser in einen schweren Polymermantel eingebettet werden, der allgemein als 'enge Puffer'-Konstruktion bezeichnet wird. Diese Fasereinheiten werden üblicherweise mit zusätzlichen Stahlverstärkungselementen gebündelt, wiederum mit einer spiralförmigen Verdrehung, um ein Dehnen zu ermöglichen.

Ein weiteres kritisches Anliegen bei der Verkabelung ist der Schutz der Faser vor Kontamination durch Wasser, da es sich um eine Komponente handelt Wasserstoff (Hydronium) und Hydroxylionen können in die Faser diffundieren, die Festigkeit der Faser verringern und die optische Dämpfung erhöhen. Wasser wird aus dem Kabel durch die Verwendung von festen Barrieren wie Kupferrohren, wasserabweisendem Gelee oder neuerdings wasserabsorbierendem Pulver, das die Faser umgibt, ferngehalten.

Schließlich kann das Kabel armiert werden, um es vor Umweltgefahren wie Bauarbeiten oder nagenden Tieren zu schützen. Unterwasserkabel sind in ihren küstennahen Abschnitten stärker gepanzert, um sie vor Bootsankern, Fanggeräten und sogar Haien zu schützen, die von den elektrischen Stromsignalen angezogen werden können, die zu Leistungsverstärkern oder Repeatern im Kabel übertragen werden.

Moderne Glasfaserkabel können bis zu tausend Fasern in einem einzigen Kabel enthalten, sodass die Leistung optischer Netzwerke selbst den heutigen Anforderungen an Bandbreite auf Punkt-zu-Punkt-Basis problemlos gerecht wird. Ungenutzte potenzielle Punkt-zu-Punkt-Bandbreite führt jedoch nicht zu Betriebsgewinnen, und es wird geschätzt, dass nicht mehr als 1 % der in den letzten Jahren vergrabenen Glasfasern tatsächlich „beleuchtet“ sind.

Moderne Kabel sind in einer Vielzahl von Ummantelungen und Armierungen erhältlich, die für Anwendungen wie die direkte Verlegung in Gräben, die doppelte Verwendung als Stromleitungen, die Installation in Kabelkanälen, das Festzurren an Telefonantennenmasten, die Installation in U-Booten oder das Einführen in gepflasterte Straßen ausgelegt sind. In den letzten Jahren sind die Kosten für an Masten montierte Kabel mit geringer Faseranzahl aufgrund der hohen japanischen und südkoreanischen Nachfrage nach Fiber-to-the-Home (FTTH)-Installationen stark zurückgegangen.

Terminierung und Spleißen

  ST-Faseranschluss   Vergrößern ST-Faseranschluss

Lichtwellenleiter werden über Lichtwellenleiterverbinder mit Endgeräten verbunden. Diese Steckverbinder sind normalerweise von einem Standardtyp, wie z FC , SC , ST , oder LC .

Optische Fasern können durch Verbinder oder durch miteinander verbunden werden Spleißen , das heißt, zwei Fasern miteinander zu verbinden, um einen durchgehenden optischen Wellenleiter zu bilden. Das allgemein anerkannte Spleißverfahren ist das Lichtbogenschmelzspleißen, bei dem die Faserenden mit einem Lichtbogen miteinander verschmolzen werden. Für schnellere Befestigungsarbeiten wird ein 'mechanischer Spleiß' verwendet.

Fusionsspleißen wird mit einem speziellen Instrument durchgeführt, das normalerweise wie folgt funktioniert: Die beiden Kabelenden werden in einem Spleißgehäuse befestigt, das die Spleiße schützt, und die Faserenden werden von ihrer schützenden Polymerbeschichtung (sowie dem robusteren Außenmantel) befreit , Falls vorhanden). Die Enden sind gespalten (geschnitten) mit einem Präzisionshackgerät, um sie rechtwinklig zu machen, und werden in speziellen Haltern im Spleißgerät platziert. Der Spleiß wird normalerweise über einen vergrößerten Sichtschirm inspiziert, um die Spaltstellen vor und nach dem Spleiß zu überprüfen. Das Spleißgerät verwendet kleine Motoren, um die Endflächen zusammen auszurichten, und gibt einen kleinen Funken zwischen den Elektroden am Spalt ab, um Staub und Feuchtigkeit abzubrennen. Dann erzeugt das Spleißgerät einen größeren Funken, der die Temperatur über den Schmelzpunkt des Glases erhöht und die Enden dauerhaft miteinander verschmilzt. Der Ort und die Energie des Funkens werden sorgfältig kontrolliert, damit sich der geschmolzene Kern und die Hülle nicht vermischen, wodurch der optische Verlust minimiert wird. Eine Spleißverlustschätzung wird durch das Spleißgerät gemessen, indem Licht durch die Ummantelung auf einer Seite gerichtet wird und das Licht gemessen wird, das von der Ummantelung auf der anderen Seite austritt. Ein Spleißverlust unter 0,1 dB ist typisch. Die Komplexität dieses Prozesses ist der Hauptgrund, der das Spleißen von Fasern schwieriger macht als das Spleißen von Kupferdrähten.

Mechanische Faserspleiße sind so konzipiert, dass sie schneller und einfacher zu installieren sind, aber es besteht immer noch die Notwendigkeit, sie abzuisolieren, sorgfältig zu reinigen und präzise zu spalten. Die Faserenden werden ausgerichtet und durch eine präzisionsgefertigte Hülse zusammengehalten, oft unter Verwendung eines klaren Gels (Indexanpassungsgel), das die Lichtübertragung über das Gelenk verbessert. Solche Verbindungen haben typischerweise einen höheren optischen Verlust und sind weniger robust als Schmelzspleiße, insbesondere wenn das Gel verwendet wird. Alle Spleißtechniken beinhalten die Verwendung eines Gehäuses, in das der Spleiß später zum Schutz platziert wird.

Fasern werden in Steckern terminiert, sodass das Faserende präzise und sicher an der Stirnfläche gehalten wird. Ein Glasfaserstecker ist im Grunde ein starrer zylindrischer Zylinder, der von einer Hülse umgeben ist, die den Zylinder in seiner passenden Buchse hält. Es kann drücken und klicken, drehen und verriegeln oder mit Gewinde versehen sein. Ein typischer Stecker wird installiert, indem das Faserende vorbereitet und in die Rückseite des Steckerkörpers eingeführt wird. Normalerweise wird Schnellkleber verwendet, damit die Faser sicher gehalten wird, und eine Zugentlastung wird auf der Rückseite befestigt. Sobald der Leim ausgehärtet ist, wird das Ende auf Hochglanz poliert. Je nach Faserart und Anwendung kommen verschiedene Arten von Schliffprofilen zum Einsatz. Bei Singlemode-Fasern sind die Faserenden typischerweise mit einer leichten Krümmung poliert, so dass sich die Fasern beim Zusammenstecken der Stecker nur an ihren Kernen berühren. Dies ist als 'Physical Contact' (PC)-Politur bekannt. Die gekrümmte Oberfläche kann in einem Winkel poliert werden, um eine abgewinkelte physische Kontaktverbindung (APC) herzustellen. Solche Verbindungen haben höhere Verluste als PC-Verbindungen, aber stark reduzierte Rückreflexion, da Licht, das von der abgewinkelten Oberfläche reflektiert wird, aus dem Faserkern austritt.

Es wurde über verschiedene Verfahren zum Ausrichten zweier Faserenden zueinander oder einer Faser zu einem optischen Gerät (VCSEL, LED, Wellenleiter usw.) berichtet. Sie alle folgen entweder einem Ansatz mit aktiver Faserausrichtung oder einem Ansatz mit passiver Faserausrichtung.

Geschichte

Die Geschichte der dielektrischen optischen Lichtleiter reicht bis in die viktorianische Zeit zurück, als das Prinzip der inneren Totalreflexion verwendet wurde, um Wasserströme in kunstvollen öffentlichen Brunnen zu beleuchten. Die spätere Entwicklung Anfang bis Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts konzentrierte sich auf die Entwicklung von Faserbündeln für die Bildübertragung, wobei die Hauptanwendung das medizinische Gastroskop war. Das erste faseroptische halbflexible Gastroskop wurde 1956 von Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters und Lawrence E. Curtiss, Forschern an der University of Michigan, patentiert. Bei der Entwicklung des Gastroskops stellte Curtiss das erste glasverkleidete her Fasern; Frühere optische Fasern stützten sich auf Luft oder unpraktische Öle und Wachse als Mantelmaterial mit niedrigem Brechungsindex. Bald folgten eine Vielzahl weiterer Bildübertragungsanwendungen.

1965 erkannten Charles K. Kao und George A. Hockham von der britischen Firma Standard Telephones and Cables als erste, dass die Dämpfung moderner Fasern durch Verunreinigungen verursacht wurde, die entfernt werden konnten, und nicht durch grundlegende physikalische Effekte wie Streuung. Sie zeigten, dass Glasfaser ein praktisches Kommunikationsmedium sein könnte, wenn die Dämpfung unter 20 dB pro Kilometer reduziert werden könnte (Hecht, 1999, S. 114). Durch diese Maßnahme wurde 1970 von den Forschern Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz und Frank Zimar, die für den amerikanischen Glashersteller Corning Glass Works arbeiteten, die erste praktische Glasfaser für die Kommunikation erfunden. Sie stellten eine Faser mit 17 dB optischer Dämpfung pro Kilometer her, indem sie Quarzglas dotierten Titan .

Am 22. April 1977 sendete General Telephone and Electronics in Long Beach, Kalifornien, den ersten Live-Telefonverkehr über Glasfaser mit 6 Mbit / s.

Der mit Erbium dotierte Faserverstärker, der die Kosten von Langstrecken-Fasersystemen senkte, indem optisch-elektrisch-optische Repeater überflüssig wurden, wurde 1986 von David Payne von der University of Southampton und Emmanuel Desurvire von den Bell Laboratories erfunden zwei Pioniere wurden 1998 mit der Benjamin Franklin Medal in Engineering ausgezeichnet.

Das erste transatlantische Telefonkabel mit Glasfaser war TAT-8, basierend auf der optimierten Laserverstärkungstechnologie von Desurvire. Es ging 1988 in Betrieb.

1991 führte das aufstrebende Gebiet der photonischen Kristalle zur Entwicklung der photonischen Kristallfaser ( Wissenschaft (2003), Bd. 299, Seite 358), das Licht durch Beugung an einer periodischen Struktur und nicht durch interne Totalreflexion leitet. Die ersten photonischen Kristallfasern wurden 1996 kommerziell erhältlich. Photonische Kristallfasern können so konstruiert werden, dass sie eine höhere Leistung als herkömmliche Fasern führen, und ihre wellenlängenabhängigen Eigenschaften können manipuliert werden, um ihre Leistung in bestimmten Anwendungen zu verbessern.