Multimode-Glasfaseroptik: Grundprinzipien und Leistungsgrenzen

Glasfaseroptiken, als kritische optische Wellenleiterkomponenten, werden zunehmend in der Telekommunikation, Spektroskopie, Beleuchtung und Sensoranwendungen eingesetzt. Das Verständnis ihrer Funktionsprinzipien und Techniken zur Leistungsoptimierung ist unerlässlich, um ihr Potenzial in praktischen Anwendungen zu maximieren.

Glasfasern fungieren als Wellenleiter, indem sie die totale interne Reflexion (TIR) nutzen, um Licht innerhalb fester oder flüssiger Strukturen einzuschließen und zu lenken. Der am weitesten verbreitete Fasertyp - die Stufenindexfaser - besteht aus einem Kern mit höherem Brechungsindex, der von einem Mantel umgeben ist. Wenn Licht auf die Kern-Mantel-Grenzfläche in einem Winkel auftrifft, der den kritischen Winkel überschreitet, tritt TIR auf, wodurch Licht innerhalb des Kerns eingeschlossen wird.

Der Akzeptanzwinkel (θ ^acc ) bestimmt den maximalen Einfallswinkel für TIR und wird mit dem Snelliusschen Gesetz berechnet:

θ ^acc = arcsin(√(n ^core ² - n ^clad ²) / n)

wobei n ^core und n ^clad die Brechungsindizes von Kern und Mantel darstellen und n den Brechungsindex des äußeren Mediums bezeichnet. Hersteller charakterisieren die Lichtsammeleigenschaft typischerweise durch die numerische Apertur (NA):

NA = √(n ^core ² - n ^clad ²)

Für Multimode-Fasern mit großem Kern liefert diese Formel präzise NA-Werte. Die experimentelle Bestimmung über die Fernfeld-Strahlprofilmessung (Identifizierung des Winkels, bei dem die Intensität auf 5 % des Maximums abfällt) bietet eine alternative Verifizierung.

Jeder potenzielle Lichtweg durch eine Faser stellt eine geführte Mode dar. Fasergeometrie und Materialeigenschaften bestimmen die Modenzahl, die von Einzelmodus bis zu Tausenden von Modi reicht. Die normierte Frequenz (V-Zahl) schätzt die unterstützten Modi:

V = (2πa/λ) × NA

wobei a der Kernradius und λ die Freiraumwellenlänge ist. Multimode-Fasern weisen V-Werte >>1 auf (z. B. V≈40,8 für eine 50µm/0,39NA-Faser bei 1,5µm), die ungefähr V²/2 Modi unterstützen. Einzelmodusfasern behalten V<2.405 durch kleinere Kerne und niedrigere NA bei.

• Eigene Phononenwechselwirkungen in Quarzglas dominieren über 2000 nm
• Verunreinigungen wie OH⁻-Ionen erzeugen Absorptionsspitzen bei 1300 nm und 2,94 µm
• Dotiermittel-Engineering ermöglicht angepasste Transmissionsfenster

• Rayleigh-Streuung (∝1/λ⁴) dominiert bei kürzeren Wellenlängen
• Unvollkommenheiten aus der Herstellung oder Handhabung erhöhen die äußere Streuung

• Strahlendurchmesser <70 % der Kerngröße
• Bevorzugt Modi niedriger Ordnung
• Reduzierte Biegeempfindlichkeit
• Höhere Kernleistungsdichte

• Strahl überschreitet Kerndimensionen
• Regt alle Modi gleichmäßig an
• Höherer anfänglicher Leistungsdurchsatz
• Schnelle Dämpfung hoher Modi über die Entfernung

• Biegeinduziert: Lokale Erwärmung bei engen Biegungen
• Photoverdunkelung: UV-/kurzwelleninduzierte Dämpfung

1. Alle Fasergrenzflächen vor der Installation inspizieren und reinigen
2. Spleiße bei geringer Leistung vor dem Hochleistungsbetrieb verifizieren
3. Die Leistung schrittweise erhöhen und gleichzeitig die Leistung überwachen
4. Geeignete Fasertypen für spezifische Anwendungen auswählen
5. Geeignete Wickel- und Zugentlastungstechniken implementieren