Fortgeschrittene optische Fasern transformieren moderne Kommunikationsnetzwerke

Die Glasfasertechnologie entwickelt sich rasant weiter und spielt eine entscheidende Rolle im Informationszeitalter. Über traditionelle optische Fasern hinaus, die für die Signalübertragung verwendet werden, entwickelt sich eine neue Klasse, die als "Spezialglasfasern" bekannt ist, zu einem Game-Changer. Diese Fasern dienen als Spezialeinheiten in der optischen Kommunikation und erfüllen einzigartige und kritische Funktionen in der Signalverarbeitung, Gerätevernetzung und anderen spezialisierten Anwendungen. Was macht diese Spezialfasern so bemerkenswert, und wie könnten sie die Zukunft der optischen Kommunikation verändern? Dieser Artikel untersucht mehrere repräsentative Spezialfasern und untersucht ihre technischen Prinzipien, Anwendungen und Herausforderungen.

In optischen Übertragungssystemen, die von Standard-Singlemode-Fasern (SMF) dominiert werden, stellt die chromatische Dispersion eine erhebliche Herausforderung dar. Dispersion verursacht eine Verbreiterung der optischen Impulse, wodurch die Signalqualität beeinträchtigt und die Übertragungsentfernung und -geschwindigkeit begrenzt werden. Dispersionskompensationsfasern (DCF) bieten eine effektive Lösung für dieses Problem. Das Hauptmerkmal von DCF ist ihr großer negativer Dispersionswert im 1550-nm-Wellenlängenfenster, der die positive Dispersion kompensiert, die in Standard-SMF erzeugt wird.

Konkret hat DCF typischerweise einen Dispersionskoeffizienten von etwa D ≈ -95 ps/(nm·km). Das bedeutet, dass etwa 14 km DCF die Dispersion in 80 km Standard-SMF kompensieren können. In praktischen Anwendungen wird DCF üblicherweise als Dispersionskompensationsmodul (DCM) verpackt, um die Systemintegration zu erleichtern.

Im Vergleich zu anderen Dispersionskompensationstechniken wie Faser-Bragg-Gittern (FBG) bietet DCF Vorteile wie ein breites Wellenlängenfenster, hohe Zuverlässigkeit und extrem geringe Dispersionswelligkeit – alles entscheidend für Wellenlängenmultiplexing (WDM)-Systeme. Darüber hinaus kann DCF so konzipiert werden, dass es die Dispersionsneigung kompensiert, was es ideal für WDM-Anwendungen mit breitem Wellenlängenbereich macht.

DCF hat jedoch Einschränkungen. Aufgrund seines begrenzten Dispersionswerts pro Längeneinheit weist DCF eine relativ hohe Dämpfung auf, wenn eine große Gesamtdispersionskompensation erforderlich ist. Um eine negative Dispersion im 1550-nm-Wellenlängenfenster zu erreichen, ist die effektive Kernfläche von DCF typischerweise klein (Aeff ≈ 15 μm²), etwa ein Fünftel der von Standard-SMF. Dies führt zu deutlich verstärkten nichtlinearen Effekten in DCF, die bei der Konstruktion von Messgeräten, die DCF enthalten, berücksichtigt werden müssen.

Ideale Singlemode-Fasern haben kreisförmige Querschnitte mit zwei entarteten Modi, die sich durch gegenseitig orthogonale Polarisationszustände und identische Ausbreitungskonstanten auszeichnen. Externe Belastungen können jedoch Doppelbrechung in Fasern induzieren, wodurch diese entarteten Modi unterschiedliche Ausbreitungskonstanten entwickeln. Die Verteilung der optischen Signale zwischen diesen beiden Polarisationsmodi hängt nicht nur von den Kopplungsbedingungen zwischen der Lichtquelle und der Faser ab, sondern auch von der Energiekopplung zwischen den Modi während der Ausbreitung – ein Prozess, der typischerweise zufällig ist. Folglich wird der Polarisationszustand des Ausgangssignals selbst nach der Ausbreitung über nur wenige Meter durch die Faser in der Regel randomisiert. Modenkopplung und Ausgangspolarisationszustände sind sehr empfindlich gegenüber äußeren Störungen wie Temperaturänderungen, mechanischen Spannungsänderungen sowie Mikro- und Makrobiegungen.

Um die Energiekopplung zwischen den beiden orthogonalen Polarisationsmodi zu minimieren, muss die Differenz in ihren Ausbreitungskonstanten ausreichend groß sein. Dies wird erreicht, indem zusätzliche Elemente in den Faser-Cladding integriert werden, um eine asymmetrische Spannung auf den Kern auszuüben. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien kann während des Faserziehprozesses eine unidirektionale Spannung im Kern erzeugt werden. Basierend auf der Form der spannungsanlegenden Teile (SAPs) werden PM-Fasern entweder als "Panda"- oder "Bowtie"-Typen kategorisiert.

Es ist wichtig zu beachten, dass PM-Fasern im Wesentlichen hoch doppelbrechende Fasern sind, die so konzipiert sind, dass die Kopplung zwischen orthogonalen Polarisationsmodi minimiert wird. Damit eine PM-Faser den Polarisationszustand eines Signals beibehält, muss jedoch die Polarisation des Eingangssignals entweder mit der langsamen oder der schnellen Achse der Faser übereinstimmen. Andernfalls werden beide entarteten Modi angeregt, und trotz minimaler Energiekopplung zwischen ihnen werden ihre relativen optischen Phasen immer noch durch Faserstörungen beeinflusst, wodurch verhindert wird, dass der Ausgangspolarisationszustand beibehalten wird.

Daher ist bei der Verwendung von PM-Fasern in optischen Systemen eine sorgfältige Ausrichtung des Polarisationszustands des Eingangssignals unerlässlich. Andernfalls könnten PM-Fasern in Bezug auf die Ausgangspolarisationsstabilität schlechter abschneiden als Standard-Singlemode-Fasern. Eine weitere Herausforderung bei PM-Fasern ist die Schwierigkeit, sie zu verbinden und zu spleißen. Beim Verbinden von zwei PM-Fasern müssen ihre Doppelbrechungsachsen perfekt ausgerichtet sein. Fehlausrichtung verursacht die gleichen Probleme wie Fehlausrichtung der Eingangspolarisation. PM-Faserspleißgeräte, die eine präzise Achsendrehung und -ausrichtung ermöglichen, können aufgrund ihrer Komplexität fünfmal mehr kosten als herkömmliche Faserspleißgeräte.

Photonische Kristallfaser (PCF), auch bekannt als photonische Bandlückenfaser, stellt einen völlig neuen Fasertyp mit einem Wellenleitungsmechanismus dar, der sich grundlegend von herkömmlichen Fasern unterscheidet. PCF weist typischerweise zahlreiche periodisch verteilte Luftlöcher in ihrem Querschnitt auf, was ihr den Spitznamen "holey"-Faser einbringt. Der Lichtleitmechanismus von PCF beruht auf Bragg-Resonanzeffekten in der Querrichtung der Faser, was bedeutet, dass ihre verlustarmen Übertragungsfenster weitgehend von der Bandlückenstruktur abhängen.

PCF mit großem Kernbereich ermöglicht den Singlemode-Betrieb über ein außergewöhnlich breites Wellenlängenfenster (z. B. 750-1700 nm) unter Beibehaltung eines großen Kernbereichs. Im Vergleich zu PCF mit Hohlkern bietet PCF mit großem Kernbereich breitere verlustarme Fenster. Obwohl sein nichtlinearer Parameter niedriger ist als der von Standard-SMF, ist er typischerweise viel höher als der von PCF mit Hohlkern.

Hoch nichtlineare PCF mit ihrem extrem kleinen Festkernquerschnitt ermöglicht eine sehr hohe Leistungsdichte im Kern. Beispielsweise könnte eine hoch nichtlineare PCF mit Null-Dispersionswellenlänge bei λ0 = 710 nm einen Kerndurchmesser von nur 1,8 μm und einen nichtlinearen Parameter γ > 100 W−1 km−1—40-mal höher als Standard-SMF aufweisen. Diese Art von PCF wird häufig in nichtlinearen optischen Signalverarbeitungsanwendungen wie parametrischer Verstärkung und Superkontinuumserzeugung verwendet.

PCF mit Hohlkern leitet Lichtsignale durch einen Luftkern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wellenleitern, die hochbrechende Festdielektrikamaterialien benötigen, wirkt die photonische Bandlückenstruktur von PCF im Cladding als virtueller Spiegel, der sich ausbreitende Lichtwellen auf den Luftkern beschränkt. In den meisten PCFs mit Hohlkern wandern über 95 % der optischen Leistung durch Luft, wodurch die Wechselwirkung zwischen Signalleistung und Glasmaterial minimiert wird. Da die Nichtlinearität von Luft etwa drei Größenordnungen niedriger ist als die von Siliziumdioxid, kann PCF mit Hohlkern eine extrem geringe Nichtlinearität aufweisen, wodurch sie sich für die Übertragung von optischen Hochleistungssignalen eignet.

PCF steht jedoch vor zwei Hauptherausforderungen: relativ schmale Übertragungsfenster (insbesondere für PCF mit Hohlkern, typischerweise um 200 nm) aufgrund der starken Resonanzeffekte periodischer Strukturen, die die Signalenergie im Luftkern einschließen; und relativ hohe Dämpfung, die hauptsächlich durch Herstellungsfehler verursacht wird, die zu Rauheit der Luftlochwand führen. Die enorme Luft/Glas-Grenzfläche in PCF bedeutet, dass selbst geringfügige Oberflächenrauheit erhebliche Streuverluste verursachen kann. Folglich ist PCF nach wie vor ein teurer, hochwertiger Fasertyp, der meistens nach dem Meter und nicht nach dem Kilometer verkauft wird. Ihre Fragilität und die Schwierigkeiten bei der Handhabung – die von Luftlöchern herrühren, die die Oberflächenbehandlung, den Abschluss, die Verbindung und das Spleißen erschweren – schränken die weit verbreitete Akzeptanz weiter ein.

Kürzlich hat eine spezielle Art von PCF mit Hohlkern, die als Hollow-Core Nested Antiresonant Nodeless Fiber (HC-NANF) bezeichnet wird, vielversprechend für die optische Hochgeschwindigkeitsübertragung gezeigt. Die Kernstruktur von HC-NANF weist sechs Paare von verschachtelten Siliziumkapillaren auf, die um einen zentralen Luftkern angeordnet sind. Dieses verschachtelte Design hilft, das Modenfeld in den zentralen Bereich des Luftkerns zu verschieben, wodurch die Wechselwirkung mit Siliziumdioxidmaterial reduziert und potenziell die Dämpfung erheblich gesenkt wird. Mit der richtigen Gestaltung von Kapillardicke, -durchmesser und -position könnte die verlustarme Bandbreite von HC-NANF das gesamte Wellenlängenfenster von 1100-1600 nm abdecken. Verbesserte Herstellungstechniken haben die Dämpfung von HC-NANF bereits auf 0,28 dB/km reduziert. Da sich das Lichtfeld im Luftkern mit minimaler Siliziumdioxid-Wechselwirkung ausbreitet, könnten die intrinsischen Verluste letztendlich weitaus geringer werden als bei Standard-Festkernfasern, wenn sich die Herstellungstechniken weiter verbessern.

Hohlkernfasern bieten zusätzliche Vorteile: Vernachlässigbare Nichtlinearität ermöglicht eine höhere Signalleistung ohne Bedenken hinsichtlich nichtlinearer Degradation, und Lichtsignale breiten sich etwa 30 % schneller aus als in Standard-Festkernfasern, was auf die Brechungsindexreduzierung von n≈1,47 auf n≈1 zurückzuführen ist, wodurch die Übertragungslatenz reduziert wird. Hochgeschwindigkeits-WDM-Übertragungsexperimente deuten darauf hin, dass HC-NANF eine vielversprechende Alternative zu aktuellen SMF für WDM-optische Systeme und Netzwerke werden könnte.

Kunststoff-Glasfaser (POF) bietet eine kostengünstige Alternative, die auch einfach zu handhaben ist. POF-Kerne werden typischerweise aus PMMA (Polymethylmethacrylat), einem gängigen Harz, hergestellt, während das Cladding üblicherweise aus fluoriertem Polymer mit niedrigerem Brechungsindex als der Kern besteht. POF-Querschnittsdesigns sind flexibler als Glasfasern und ermöglichen verschiedene Kerngrößen und Kern/Cladding-Verhältnisse. Beispielsweise können in großen POFs 95 % des Querschnitts für die Lichtübertragung Kern sein.

Die POF-Herstellung erfordert nicht das teure MOCVD-Verfahren, das für Fasern auf Siliziumbasis unerlässlich ist, was zu niedrigeren Kosten beiträgt. Während Glasfasern die Telekommunikation dominieren, findet POF aufgrund seiner Erschwinglichkeit und Flexibilität zunehmend Anwendung in kostenempfindlichen Bereichen. Die Verbindungs- und Installationskosten von POF sind besonders niedrig, was es für Fiber-to-the-Home-Anwendungen attraktiv macht.

Der Übertragungsverlust von POF von etwa 0,25 dB/m ist jedoch fast drei Größenordnungen höher als der von Glasfasern, was eine optische Langstreckenübertragung ausschließt. Die meisten POFs sind Multimode, was sie auf Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und kurzer Entfernung wie Heimnetzwerke, optische Verbindungen, Automobilnetzwerke und flexible Beleuchtungs-/Instrumentierungslösungen beschränkt.