Lichtwellenleiter 2006
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Medizinische Optik Lichtwellenleiter 1 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 2 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 3 Fasertypen • Stufenindexfaser • Gradientenindexfaser 4 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° 5 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 6 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 7 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 8
