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Das Verständnis der Eigenschaften verschiedener Glasfaserkabeltypen hilft, deren Anwendungsbereiche zu verstehen. Der korrekte Betrieb eines Glasfasersystems setzt voraus, dass man weiß, welcher Fasertyp verwendet wird und warum. Es gibt zwei grundlegende Glasfaserkabeltypen: Multimode- und Singlemode-Glasfaserkabel. Multimode-Fasern eignen sich am besten für kurze Übertragungsdistanzen und sind ideal für LAN-Systeme und Videoüberwachung. Singlemode-Fasern sind für längere Übertragungsdistanzen optimiert und eignen sich daher für Ferngespräche und Mehrkanal-Fernsehübertragungssysteme.
Multimode-Faser
Multimode-Glasfaserkabel , die ersten hergestellten und kommerzialisierten Glasfaserkabel, zeichnen sich dadurch aus, dass zahlreiche Moden oder Lichtstrahlen gleichzeitig durch den Wellenleiter geleitet werden. Die Moden entstehen dadurch, dass sich Licht im Faserkern nur unter bestimmten Winkeln innerhalb des Akzeptanzkegels ausbreitet. Dieser Fasertyp besitzt im Vergleich zu Singlemode-Fasern einen deutlich größeren Kerndurchmesser, was die größere Anzahl an Moden ermöglicht. Zudem lassen sich Multimode-Fasern leichter koppeln als Singlemode-Glasfasern. Multimode-Fasern werden in Stufenindex- und Gradientenindexfasern unterteilt. Abbildung 2 veranschaulicht das Prinzip der Totalreflexion bei Multimode-Stufenindexfasern. Da der Brechungsindex des Kerns höher ist als der des Mantels, wird Licht, das unter einem Winkel unterhalb der Grenzwinkelgrenze eintritt, entlang der Faser geführt.
Drei verschiedene Lichtwellen breiten sich in der Faser aus. Ein Modus verläuft geradlinig durch die Mitte des Kerns. Ein zweiter Modus breitet sich unter einem steilen Winkel aus und wird durch Totalreflexion hin und her reflektiert. Der dritte Modus überschreitet den Grenzwinkel und wird in den Mantel gebrochen. Anschaulich lässt sich erkennen, dass der zweite Modus eine längere Strecke zurücklegt als der erste, wodurch die beiden Modi zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen. Diese zeitliche Diskrepanz zwischen den Ankunftszeiten der verschiedenen Lichtstrahlen wird als Dispersion bezeichnet und führt zu einem verfälschten Signal am Empfangsende. Eine detailliertere Erläuterung der Dispersion finden Sie unter „Dispersion in faseroptischen Systemen“. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine hohe Dispersion eine unvermeidbare Eigenschaft von Multimode-Stufenindexfasern ist. Multimode-Gradientenindexfasern: Der Begriff Gradientenindex bezieht sich darauf, dass der Brechungsindex des Kerns mit zunehmender Entfernung von der Kernmitte allmählich abnimmt. Die erhöhte Brechung im Kernzentrum verlangsamt die Ausbreitungsgeschwindigkeit einiger Lichtstrahlen, sodass alle Lichtstrahlen nahezu gleichzeitig am Empfangsende eintreffen und die Dispersion reduziert wird. Abbildung 3 veranschaulicht das Prinzip einer Multimode-Gradientenindexfaser. Der Brechungsindex n<sub>A</sub> im Kernzentrum ist höher als der Brechungsindex n<sub>B</sub> im äußeren Kern. Wie bereits erwähnt, verläuft der Brechungsindex des Kerns parabolisch und ist im Zentrum am höchsten. Wie Abbildung 3 zeigt, verlaufen die Lichtstrahlen nicht mehr geradlinig, sondern kurvenförmig, da sie durch den kontinuierlich abnehmenden Brechungsindex allmählich zum Zentrum zurückgebogen werden. Dies verringert die Laufzeitdifferenz, da alle Moden nahezu gleichzeitig eintreffen. Die geradlinig verlaufenden Moden weisen einen höheren Brechungsindex auf und bewegen sich daher langsamer als die kurvenförmigen Moden.Diese Teilchen legen zwar größere Strecken zurück, bewegen sich aber im Bereich des äußeren Erdkerns mit dem niedrigeren Brechungsindex schneller.
Einmodenfaser
Einmodenfasern ermöglichen eine höhere Informationsübertragungskapazität, da sie die Qualität jedes Lichtimpulses über größere Entfernungen erhalten und keine Dispersion durch Mehrmoden aufweisen. Zudem besitzen Einmodenfasern eine geringere Dämpfung als Multimodefasern. Dadurch lässt sich mehr Information pro Zeiteinheit übertragen. Ähnlich wie Multimodefasern wurden frühe Einmodenfasern im Allgemeinen als Stufenindexfasern charakterisiert. Das bedeutet, dass der Brechungsindex des Faserkerns einen Schritt über dem des Mantels liegt und nicht wie bei Gradientenindexfasern graduell verläuft. Moderne Einmodenfasern haben sich zu komplexeren Designs weiterentwickelt, wie z. B. Fasern mit angepasstem Mantel, Fasern mit abgesenktem Mantel und anderen speziellen Strukturen.
Singlemode-Fasern weisen Nachteile auf. Der kleinere Kerndurchmesser erschwert die Lichteinkopplung. Auch die Toleranzen für Singlemode-Steckverbinder und -Spleißverbindungen sind deutlich höher. Singlemode-Fasern werden seit Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt. Infolgedessen gibt es drei grundlegende Klassen von Singlemode-Fasern, die in modernen Telekommunikationssystemen eingesetzt werden. Der älteste und am weitesten verbreitete Typ ist die nichtdispersionsverschobene Faser (NDSF). Diese Fasern waren ursprünglich für den Einsatz im Bereich um 1310 nm vorgesehen. Später machten 1550-nm-Systeme NDSF-Fasern aufgrund ihrer sehr hohen Dispersion bei dieser Wellenlänge ungeeignet. Um diesen Nachteil zu beheben, entwickelten Faserhersteller die dispersionsverschobene Faser (DSF), deren Nulldispersionspunkt in den 1550-nm-Bereich verschoben wurde. Jahre später entdeckten Wissenschaftler, dass DSF zwar bei einer einzelnen Wellenlänge von 1550 nm hervorragend funktioniert, jedoch starke Nichtlinearitäten aufweist, wenn mehrere eng beieinander liegende Wellenlängen im 1550-nm-Bereich in DWDM-Systemen übertragen werden. Um das Problem der Nichtlinearitäten zu lösen, wurde kürzlich eine neue Faserklasse eingeführt: die sogenannten Non-Zero-Dispersion-Shifted Fibers (NZ-DSF). Diese Fasern sind sowohl in Varianten mit positiver als auch mit negativer Dispersion erhältlich und entwickeln sich rasant zur bevorzugten Faser für neue Glasfasernetze. Weitere Informationen zu diesem Verlustmechanismus finden Sie im Artikel „Faserdispersion“.
Eine weitere wichtige Variante von Einmodenfasern sind polarisationserhaltende (PM-)Fasern. Alle bisher besprochenen Einmodenfasern konnten zufällig polarisiertes Licht übertragen. PM-Fasern sind so konstruiert, dass sie nur eine Polarisationsebene des einfallenden Lichts übertragen. Dies ist wichtig für Komponenten wie externe Modulatoren, die polarisiertes Eingangslicht benötigen. Abbildung 7 zeigt den Querschnitt einer PM-Faser. Diese Faser weist ein Merkmal auf, das bei anderen Fasertypen nicht vorkommt. Neben dem Kern befinden sich zwei zusätzliche Ringe, sogenannte Spannungsstäbe. Wie der Name schon sagt, erzeugen diese Spannungsstäbe Spannungen im Faserkern, sodass die Transmission nur einer Polarisationsebene des Lichts begünstigt wird. Einmodenfasern weisen Nichtlinearitäten auf, die die Systemleistung erheblich beeinträchtigen können.
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