Lichtwellenleiter

Funktionsweise und Arten


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Lichtwellenleiter sind [[Dielektrikum|dielektrische]] [[Wellenleiter]] zur Übertragung von [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischer Strahlung]] vom [[Ultraviolettstrahlung|UV-]] (ca. 350 nm) bis in den [[Infrarotstrahlung|IR-]][[Elektromagnetisches Spektrum|Spektralbereich]] (ca. 2500 nm). Abhängig von Geometrie und Beschaffenheit können sich in ihnen
Lichtwellenleiter sind physikalisch gesehen [[Dielektrikum|dielektrische]] Wellenleiter, mit welchen [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung]] vom [[Ultraviolettstrahlung|ultravioletten]] bis in den [[Infrarotstrahlung|infraroten]] [[Elektromagnetisches Spektrum|Spektralbereich]] übertragen werden kann (ca. 350–2500&nbsp;nm). In diesen [[Wellenleiter]]n können sich in Abhängigkeit von Geometrie und Beschaffenheit nur bestimmte [[Moden|Schwingungsmoden]] ausbreiten, die sich voneinander durch den räumlichen Verlauf der [[Elektrische Feldstärke|elektrischen]] und [[Magnetische Feldstärke|magnetischen Feldstärke]] unterscheiden. In metallischen Wellenleitern sind die Moden ”transversal-elektrisch” (TE) und ”transversal-magnetisch” (TM), das heißt, dass deren elektrische bzw. magnetische Feldstärke überall rein [[Transversalwelle|transversal]] zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist, die entsprechende [[Longitudinalwelle|longitudinale]] Feldkomponente verschwindet (TE-Moden = ”E”<sub>y</sub>,”H”<sub>x</sub>,”H”<sub>z</sub> [”E”<sub>z</sub>=0] bzw. TM-Moden = ”H”<sub>y</sub>,”E”<sub>x</sub>,”E”<sub>z</sub> [”H”<sub>z</sub>=0]). Im Gegensatz zu metallischen Wellenleitern treten die TE- und TM-Moden in Lichtwellenleitern im Allgemeinen nicht voneinander getrennt auf, und als Folge des rotationssymmetrischen Brechungsindexverlaufs existieren sogenannte ”Hybrid-Moden”, bei denen immer beide Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung vorhanden sind. Diese werden nach den vorhandenen Hauptfeldkomponenten, als HE- (”E”<sub>y</sub>,”H”<sub>x</sub>,”H”<sub>z</sub>) oder EH-Moden (”H”<sub>y</sub>,”E”<sub>x</sub>,”E”<sub>z</sub>) bezeichnet.<ref name=”Jackson”>{{Literatur |Autor=[[John David Jackson (Physiker)|J. D. Jackson]], C. Witte, K. Müller |Titel=[[Classical Electrodynamics|Klassische Elektrodynamik]] |Auflage=4 |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=2006 |ISBN=3-11-018970-4 |Seiten=448–450 |Online={{Google Buch|BuchID=9eMaKsWp9DMC|Seite=448}}}}</ref><ref name=”Meschede”>{{Literatur |Autor=Dieter Meschede |Titel=Optik, Licht und Laser |Verlag=Vieweg +Teubner |Datum=2008 |ISBN=978-3-8351-0143-2 |Seiten=100–103 |Online={{Google Buch|BuchID=Ov07momdy8YC|Seite=100}}}}</ref>
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nur bestimmte [[Moden|Schwingungsmoden]] ausbreiten, die sich voneinander durch die räumliche Verteilung der [[Elektrische Feldstärke|elektrischen]] und [[Magnetische Feldstärke|magnetischen Feldstärke]] unterscheiden. In metallischen Wellenleitern sind die Moden ”transversal-elektrisch” (TE) und ”transversal-magnetisch” (TM), das heißt, dass deren elektrische bzw. magnetische Feldstärke überall rein [[Transversalwelle|transversal]] zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist, die entsprechende [[Longitudinalwelle|longitudinale]] Feldkomponente verschwindet (TE-Moden = ”E”<sub>y</sub>,”H”<sub>x</sub>,”H”<sub>z</sub> [”E”<sub>z</sub>=0] bzw. TM-Moden = ”H”<sub>y</sub>,”E”<sub>x</sub>,”E”<sub>z</sub> [”H”<sub>z</sub>=0]). Im Gegensatz zu metallischen Wellenleitern treten die TE- und TM-Moden in Lichtwellenleitern im Allgemeinen nicht voneinander getrennt auf, und als Folge des rotationssymmetrischen Brechungsindexverlaufs existieren sogenannte ”Hybrid-Moden”, bei denen immer beide Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung vorhanden sind. Diese werden nach den vorhandenen Hauptfeldkomponenten, als HE- (”E”<sub>y</sub>,”H”<sub>x</sub>,”H”<sub>z</sub>) oder EH-Moden (”H”<sub>y</sub>,”E”<sub>x</sub>,”E”<sub>z</sub>) bezeichnet.<ref name=”Jackson”>{{Literatur |Autor=[[John David Jackson (Physiker)|J. D. Jackson]], C. Witte, K. Müller |Titel=[[Classical Electrodynamics|Klassische Elektrodynamik]] |Auflage=4 |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=2006 |ISBN=3-11-018970-4 |Seiten=448–450 |Online={{Google Buch|BuchID=9eMaKsWp9DMC|Seite=448}}}}</ref><ref name=”Meschede”>{{Literatur |Autor=Dieter Meschede |Titel=Optik, Licht und Laser |Verlag=Vieweg +Teubner |Datum=2008 |ISBN=978-3-8351-0143-2 |Seiten=100–103 |Online={{Google Buch|BuchID=Ov07momdy8YC|Seite=100}}}}</ref>
  
 
[[Datei:Optical fibre modes.jpg|mini|hochkant=2.5|”’LP<sub>l,m</sub>-Moden in Lichtwellenleitern”'<br />Die Indizes charakterisieren die Struktur der Intensitätsverteilung: ”m” Nullstellen in radialer Richtung (vertikale Bildreihe), 2&nbsp;·&nbsp;”l” Nullstellen bei 360°-Umlauf der Winkelkoordinate (”l” Knotenpaare; horizontale Bildreihe). Schwarz sind Bereiche negativer Feldstärke; die zum Quadrat der Feldstärke proportionale Intensität (Helligkeit) ist dort ebenso groß wie in den weißen Bereichen. Nur an den Übergängen geht die Intensität auf null (Nullstelle der Feldstärke).]]
 
[[Datei:Optical fibre modes.jpg|mini|hochkant=2.5|”’LP<sub>l,m</sub>-Moden in Lichtwellenleitern”'<br />Die Indizes charakterisieren die Struktur der Intensitätsverteilung: ”m” Nullstellen in radialer Richtung (vertikale Bildreihe), 2&nbsp;·&nbsp;”l” Nullstellen bei 360°-Umlauf der Winkelkoordinate (”l” Knotenpaare; horizontale Bildreihe). Schwarz sind Bereiche negativer Feldstärke; die zum Quadrat der Feldstärke proportionale Intensität (Helligkeit) ist dort ebenso groß wie in den weißen Bereichen. Nur an den Übergängen geht die Intensität auf null (Nullstelle der Feldstärke).]]
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Beim Lichtwellenleiter ist der [[Brechungsindex]]unterschied zwischen Kern und Mantel im Allgemeinen sehr gering (Δ&nbsp;≈&nbsp;0,003), man spricht von einem ”schwach führenden Wellenleiter”. Für diesen speziellen Fall sind die transversalen Feldkomponenten näherungsweise linear polarisiert und die Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung sind vernachlässigbar. Die so genäherten Moden heißen ”linear polarisiert” (LP). Bei der Bezeichnung der LP<sub>l,m</sub>-Moden charakterisieren die Indizes die Struktur der Intensitätsverteilung: ”m” Nullstellen in radialer Richtung, 2&nbsp;·&nbsp;”l” Nullstellen bei 360°-Umlauf der Winkelkoordinate (”l” Knotenpaare). Die Moden entstehen aus den [[Hybrid-Moden]] und sind teilweise [[Linearkombination]]en einzelner HE-/EH-Moden. (Bei den Hybrid-Moden bezeichnen die Indizes die Struktur in X- und Y-Richtung, zum Beispiel entsteht die LP<sub>01</sub>-Mode aus der HE<sub>11</sub>-Mode).<ref name=”Meschede” />
 
Beim Lichtwellenleiter ist der [[Brechungsindex]]unterschied zwischen Kern und Mantel im Allgemeinen sehr gering (Δ&nbsp;≈&nbsp;0,003), man spricht von einem ”schwach führenden Wellenleiter”. Für diesen speziellen Fall sind die transversalen Feldkomponenten näherungsweise linear polarisiert und die Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung sind vernachlässigbar. Die so genäherten Moden heißen ”linear polarisiert” (LP). Bei der Bezeichnung der LP<sub>l,m</sub>-Moden charakterisieren die Indizes die Struktur der Intensitätsverteilung: ”m” Nullstellen in radialer Richtung, 2&nbsp;·&nbsp;”l” Nullstellen bei 360°-Umlauf der Winkelkoordinate (”l” Knotenpaare). Die Moden entstehen aus den [[Hybrid-Moden]] und sind teilweise [[Linearkombination]]en einzelner HE-/EH-Moden. (Bei den Hybrid-Moden bezeichnen die Indizes die Struktur in X- und Y-Richtung, zum Beispiel entsteht die LP<sub>01</sub>-Mode aus der HE<sub>11</sub>-Mode).<ref name=”Meschede” />
  
In einem Lichtwellenleiter kann sich in Abhängigkeit vom Kerndurchmesser und vom Brechungsindexunterschied entweder nur die Grundmode oder zusätzlich mehrere höhere Moden ausbreiten. Die Einteilung erfolgt hiernach in ”Monomodefasern” (engl. {{lang|en|”single-mode fiber”}}, SMF), in denen sich für bestimmte Wellenlängenbereiche nur die LP<sub>01</sub> Grundmode ausbreiten kann, und ”Multimodefasern” (engl. {{lang|en|”multi-mode fiber”}}, MMF), welche in der Regel mehr als hundert bis mehrere tausend Moden besitzen.
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In einem Lichtwellenleiter kann sich in Abhängigkeit vom Kerndurchmesser und vom Brechungsindexunterschied entweder nur die Grundmode oder zusätzlich mehrere höhere Moden ausbreiten. Die Einteilung erfolgt hiernach in ”Monomodefasern” (engl. {{lang|en|”single-mode fiber”}}, SMF), in denen sich für bestimmte Wellenlängenbereiche nur die LP<sub>01</sub>Grundmode ausbreiten kann, und ”Multimodefasern” (engl. {{lang|en|”multi-mode fiber”}}, MMF), welche in der Regel mehr als hundert bis mehrere tausend Moden besitzen.
 
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