Grundprinzipien optischer Fasern und Kabel

Die Übertragung über optische Fasern basiert auf dem Prinzip der Totalreflexion, die auftritt, wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien trifft. In einer Stufen-Index-Lichtleitfaser-wobei n1 den Brechungsindex des Kernmediums und n2 den Brechungsindex des Mantelmediums darstellt, mit n1 > n2- tritt totale interne Reflexion auf, wenn in den Kern eintretendes Licht in einem Einfallswinkel auf die Kern-Mantel-Grenzfläche trifft, der größer als der kritische Winkel (θc) ist. Unter diesen Bedingungen entweicht keine Lichtenergie aus dem Kern und das einfallende Licht kann sich über unzählige Totalreflexionen vorwärts durch die Grenzfläche ausbreiten.

Wenn jedoch eine optische Faser gebogen wird, verschiebt sich die Richtung der Normalen zur Grenzfläche, was zu kleineren Einfallswinkeln führt. Folglich fällt der Einfallswinkel für einen Teil der Lichtstrahlen unter θc, wodurch verhindert wird, dass sie einer Totalreflexion unterliegen. Dennoch können Strahlen mit anfänglich größeren Einfallswinkeln immer noch eine Totalreflexion erfahren; Daher bleibt die Lichtübertragung auch dann bestehen, wenn die Faser gebogen wird, obwohl diese Biegung zu einem Energieverlust führt. Wenn der Biegeradius 50 bis 100 Millimeter überschreitet, ist der resultierende Verlust normalerweise vernachlässigbar. Umgekehrt können kleinste Biegungen zu schwerwiegenden „Mikrobiegeverlusten“ führen.

Die Theorie elektromagnetischer Wellen wird häufig zur weiteren Untersuchung der Mechanismen der Übertragung über optische Fasern eingesetzt, insbesondere durch die Lösung der Wellengleichungen, die von den Randbedingungen des Wellenleitermediums der optischen Faser abhängig sind. Das sich innerhalb einer optischen Faser ausbreitende Licht besteht aus zahlreichen „Moden“, von denen jeder eine spezifische Verteilung des elektromagnetischen Feldes darstellt und einem bestimmten Lichtstrahl entspricht, wie er in der geometrischen Optik beschrieben wird. Die spezifischen geführten Moden, die in einer optischen Faser vorhanden sind, hängen von der normalisierten Frequenz der Faser (V--Zahl) ab.
In diesem Zusammenhang bezeichnet NA die numerische Apertur, einen Parameter, der sich auf die Brechungsindizes des Kern- und Mantelmediums bezieht; *a* stellt den Radius des Faserkerns dar; und λ stellt die Wellenlänge des durchgelassenen Lichts dar. Wenn eine optische Faser gebogen wird, kommt es zu einer Modenkopplung; Ein Teil der Energie verlagert sich von den geführten Moden in Strahlungsmoden, entweicht dadurch dem Kern und geht verloren.
Leistungsmerkmale: Zu den wichtigsten Parametern, die eine optische Faser charakterisieren, gehören Dämpfung, Bandbreite und andere.