Lichtwellenleiter 2006

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Medizinische Optik
Lichtwellenleiter
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Glasfasern (Lichtwellenleiter)
• Zylindersymmetrische dielektrische Wellenleiter für den
Bereich der optischen Lichtwellen
• Bestandteile:
– Kern (core): zentraler Bereich, Brechungsindex n1
– Mantel (cladding): umgibt den Kern, Brechungsindex n2<n1
– Beschichtung (jacket): Schutzmantel, Kunststoff
• Mechanismus der Lichtleitung:
– Totalreflektion, falls Winkelbedingung erfüllt
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Fasertypen
• Multimoden-Stufenindexfasern
– Kern: Durchmesser 50 bis 1000µm,
konstanter Brechungsindex
– preiswert, leicht zu benutzen
– begrenzte Bandbreite
– nicht für hohe Datenraten / lange Strecken
• Multimoden-Gradientenindexfasern
– Kern: Durchmesser 50 bis 100µm,
Brechungsindex nimmt radial nach außen ab
– höhere Bandbreite
– häufig für Telekommunikation
• Einmoden-Fasern
–
–
–
–
–
...
...
Stufenindex, Kerndurchmesser wenige µm
nur eine Mode
schwierig zu benutzen
sehr große Bandbreite und geringe Dämpfung
insbesondere für sehr lange Strecken
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Fasertypen
• Stufenindexfaser
• Gradientenindexfaser
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Akzeptanzwinkel bei Stufenindexfasern
• Totalreflexion zwischen Kern und Mantel: Grenzwinkel
n2
cosϑ1 =
n1
• Brechung an der Eintrittsfläche
n ⋅ sin ϑ 0 = n1 ⋅ sin ϑ1
n ⋅ sin ϑ 0 =
n12 − n22
z.B. n1 = 1, 474
n2 = 1, 453
ϑ0 = 14, 4°
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Akzeptanzwinkel und Numerische Apertur
• Akzeptanzwinkel θ:
maximaler Winkel zwischen einfallendem Strahl und Faserachse, für
den noch die Totalreflexionsbedingung innerhalb der Faser erfüllt ist.
• Numerische Apertur NA:
Sinus des Akzeptanzwinkels (n: Brechungsindex außerhalb der Faser)
NA = n sin ϑ 0 =
n12 − n22
• Einkopplung
– Fokusdurchmesser sollte mit dem Kerndurchmesser vergleichbar sein
– Einfallender Lichtkegels sollte Akzeptanzwinkel nicht überschreiten
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Dämpfung
• Exponentielle Dämpfung durch Absorption und Streuung
– Wichtigster Kostenfaktor in faseroptischen
Telekommunikationssystemen
– Absorption besonders gering in reinem Quarzglas bei 1.3µm und
1.5µm
– Stand der Technik: 0,1 dB / km
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Bandbreitenbegrenzung (Dispersion)
• Modendispersion
– verschiedene Moden haben verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten
– ein Signal, das in mehrere Moden eingekoppelt wird, teilt sich in
verschieden schnell propagierende Komponenten auf
--> Signal wird "verschmiert"
– Kopplung zwischen Moden, wenn Faser gebogen wird
– strahlenoptische Erklärung: unterschiedliche optische Weglängen für axiale
Strahlen und schräge Strahlen, die vielfach totalreflektiert werden
– Kopplung zwischen Moden, wenn Faser gebogen wird
• Materialdispersion
– Brechungsindex ist wellenlängenabhängig
– verschiedene Frequenzkomponenten eines Signals (z.B. sehr kurzer Puls)
haben verschiedene Geschwindigkeiten --> Puls läuft auseinander
– viel kleiner als Modendispersion in Multimodefasern
– für Quarzglas vernachlässigbar bei 1,3µm
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