Was ist Step Index Fiber?

Definition von Step-Index-Fasern

Definition: Eine Step-Index-Faser ist eine Art von Lichtleiter, der aufgrund seiner Brechungsindexverteilung klassifiziert wird. Als optischer Wellenleiter weist sie einen konstanten Brechungsindex im Kern und einen anderen konstanten Brechungsindex in der Mantelung auf. Der Brechungsindex des Kerns ist leicht höher als der der Mantelung, mit einem plötzlichen Wechsel an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantelung – daher der Begriff „Step-Index“.

Das Brechungsindexprofil einer Step-Index-Faser ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Fortschreitung in Step-Index-Fasern

Wenn ein Lichtstrahl durch eine Step-Index-Lichtfaser propagiert, verfolgt er einen Zickzackkurs aus geraden Linien, was durch die totale interne Reflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantelung ermöglicht wird.

Mathematisch wird das Brechungsindexprofil einer Step-Index-Faser wie folgt ausgedrückt:

a ist der Kernradius; r ist der radiale Abstand

Modi von Step-Index-Fasern

Step-Index-Einmodenfaser

In einer Step-Index-Einmodenfaser ist der Kernen so extrem klein, dass nur ein Fortschreitungsmodus möglich ist, was bedeutet, dass nur ein einzelner Lichtstrahl durch die Faser reist. Diese einzigartige Eigenschaft beseitigt Verzerrungen, die durch Zeitverschiebungen zwischen mehreren Strahlen entstehen.

Die Fortschreitung eines Lichtstrahls durch eine Step-Index-Einmoden-Lichtfaser ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eigenschaften von Step-Index-Einmodenfasern

Der Kernen ist hier bemerkenswert schmal, sodass nur ein Fortschreitungsmodus durch die Faser reisen kann. Typischerweise liegt die Kernenweite zwischen 2 und 15 Mikrometern.

Step-Index-Mehrmodenfaser

In Step-Index-Mehrmodenfasern ist der Kernen groß genug, um mehrere Fortschreitungsmodi zuzulassen, was bedeutet, dass mehrere Lichtstrahlen gleichzeitig durch die Faser reisen können. Allerdings führt diese gleichzeitige Propagation mehrerer Strahlen zu Verzerrungen aufgrund der Unterschiede in ihren Laufzeiten.

Die Fortschreitung von Lichtstrahlen durch eine Step-Index-Mehrmoden-Lichtfaser ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eigenschaften des Mehrmodenfaserkerns

Die obige Abbildung zeigt deutlich, dass der Kernen groß genug ist, um mehrere Fortschreitungswege zuzulassen. Typischerweise liegt die Kernenweite zwischen 50 und 1000 Mikrometern.

Brechungsindexvariation in Step-Index-Fasern

Es sollte beachtet werden, dass das Brechungsindexprofil von Step-Index-Fasern durch folgendes gekennzeichnet ist:

Lichtquelle und Eigenschaften von Step-Index-Fasern

Leuchtdioden (LEDs) sind die primären Lichtquellen, die in diesen Fasern verwendet werden.

Vorteile von Step-Index-Fasern

• Einfacher Herstellungsprozess

• Kostengünstige Produktion

• Fortschreitung durch totale interne Reflexion

Nachteile von Step-Index-Fasern

• Einmoden-Fortschreitung begrenzt die Informationsübertragungskapazität, da jeweils nur ein Lichtstrahl übertragen werden kann.

• Schwierigkeiten bei der Lichtkopplung aufgrund des kleinen Kernen.

Anwendungen von Step-Index-Fasern

Step-Index-Fasern werden hauptsächlich in lokalen Netzwerken (LAN) eingesetzt. Dies liegt daran, dass ihre Informationsübertragungskapazität geringer ist als die von gradientenindexgeführten Fasern.