Kohärente Multimode-Faser soll teure Singlemode-Faser ersetzen

Es ist bekannt, dass optische Fasern je nach Modul des Übertragungspunktes in Singlemode- und Multimodefasern unterteilt werden können. Der Kern einer Singlemodefaser ist relativ dünn, und die Übertragungsfrequenzbandbreite, Kapazität und Übertragungsdistanz sind groß. Da sie jedoch eine Laserquelle benötigt, sind die Kosten höher. Beispiele für Multimodefasern sind Multimode-Dämpfungsglieder , Multimode-Kupferkabel, OM1/OM2-Multimode-PVC-Stecker, Multimode-Innenkabel und Multimode-   MPO-Kassetten .

Mit der zunehmenden Verbreitung von Glasfasern haben Multimodefasern viel Aufmerksamkeit erregt. Russische und finnische Forscher arbeiten derzeit an einem Machbarkeitsstudienprogramm, um den Einsatz von Multimodefasern  mit größeren Kerndurchmessern weiter auszubauen. Sie verwenden Hochleistungslaser und anisotrope Materialien und erwarten, optische Übertragungstechnologien zu entwickeln, die die Kohärenz der Faser erhalten. Die Aufrechterhaltung der Lichtkohärenz ist eine notwendige Voraussetzung für die Realisierung von Quantencomputern und Sensornetzwerken. Sie trägt außerdem dazu bei, dass Multimodefasern  in Anwendungen mit größerer Reichweite teure Singlemodefasern ersetzen können.

Glasfaser ist das Rückgrat moderner Kommunikationsnetze. Singlemode  -  Fasern dominieren aufgrund ihrer Zuverlässigkeit Anwendungen über große Entfernungen; allerdings haben sie einen Innendurchmesser von nur 10 Mikrometern (µs) und sind sehr teuer. Die kostengünstigere Multimode-Faser mit einem Innendurchmesser von 100 µs wird aktuell für Kurzstreckenkommunikation eingesetzt. Sie unterstützt in der Regel Entfernungen von bis zu 1000 Metern und Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 Gbit/s.

Abb. 1: Laterale Verteilung der Lichtstrahlungsintensität im Ausgangsstrahl (Datenquelle: MIPT)

Kohärenzfähige Fasern sind Halbleitersensoren überlegen, da sie wenig Energie benötigen. Dies ist auf die Funktionsunfähigkeit verteilter Sensorsysteme zurückzuführen. Darüber hinaus eignen sich diese Fasern nicht nur für Hochleistungslasersysteme, sondern auch als Sensoren, da sie Änderungen der Polarisationseigenschaften präzise erfassen, die auf Umgebungsänderungen zurückzuführen sind.

Der Schutz von Glasfasern bietet gegenüber Halbleitersensoren Vorteile, da sie wenig Energie benötigen und die Ergebnisse eines verteilten Sensorsystems verarbeiten können. Sie eignen sich nicht nur für Hochleistungslasersysteme, sondern ihre Verwendung als Sensoren beruht auch auf der Beobachtung, dass Änderungen ihrer Polarisationseigenschaften die präzise Erfassung von durch Umwelteinflüsse verursachten Veränderungen ermöglichen.

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt den Durchmesser der äußeren Schutzschicht entlang der drei sich verjüngenden Fasern (linke Seite) und ihren Kerndurchmesser (rechte Seite).  Es wird ein Querschnitt einer anisotropen Faserstruktur dargestellt; die Faser besteht aus einem Kern, einer ovalen inneren Schutzschicht und einer äußeren Schutzschicht. (Datenquelle: MIPT)

Faserlaser nutzen optische Resonatoren, um Licht hin und her zu reflektieren und so Laserstrahlung zu erzeugen. Derzeit ist dieser Laser nur im Grundmodus (oben links in Abbildung 1) nutzbar, wodurch die Leistung auf die Kapazität der 10-nm-Faser begrenzt ist  . Eine Erhöhung der Übertragungsleistung großer Laser führt zu unkontrollierten Änderungen des Brechungsindex der Faser und damit zu parasitären nichtlinearen Effekten. Russische und finnische Forscher haben daher den Kern und die innere Schutzschicht verändert (Abbildung 2). Mit dieser Technik konnten sie bestätigen, dass in der 100-µs-Faser weniger als 1 % der durch Hochleistungslaser übertragenen Energie verloren geht. Durch die Entwicklung einer inneren Schutzschicht, die die Anisotropie großer optischer Fasern berücksichtigt (was bedeutet, dass sich das Licht aufgrund der ovalen Form der Schutzschicht nur in Längsrichtung ausbreitet), konnten die Forscher die Polarisationseigenschaften der optischen Fasern vollständig erhalten.

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