Charakteristische Größen in der Faseroptik

Obwohl ich ziemlich nah an diesen Themen gearbeitet habe (wenn auch vor langer Zeit), fand ich beim Googeln "Wellenlängenbandfaser" gute Informationen. Die enzyklopädische Seite http://www.rp-photonics.com des Ingenieurs Dr. Rüdiger Paschotta ist eine ausgezeichnete Referenz (ich habe keine Links zu diesem Typen; ich gehe einfach auf seine Seite als Referenz, wenn ich daran erinnert werden muss Sachen)>

Die kurze Antwort lautet: 1300 nm und 1500 nm (dh ungefähr zwischen zwei und drei Wellenlängen des sichtbaren Lichts) sind die Hauptbänder. Die Leistungen können bis zu etwa 100 W pro Faser betragen, was bei einer Singlemode-Faser mit a$10{\rm\mu\,m}$Modenfelddurchmesser repräsentiert eine Leistungsdichte von$300{\rm GW\,m^{-2}}$; Bei größeren Leistungen neigen die Fasern zum Versagen, da die lokale Erwärmung aufgrund der durch kleinste Fehler oder Einschlüsse in der Faser absorbierten Leistung beginnt, die Faser zu schmelzen und somit den Verlust und die lokale Erwärmung verstärkt, und die Faser sich so zerstört, dass sie aussieht eher wie eine brennende Sicherung, die sich selbst verbrennt!

Die Signalraten durch Glasfasern sind wie folgt organisiert (zumindest waren sie vor zwanzig Jahren so: Mein Verständnis ist, dass sich die Technologie verbessert hat, aber die Ideen die gleichen sind):

1. Digitale Basisbandsignale sind typischerweise organisiert in$10{\rm GBps}$Basisbandkanäle (d. h. genau wie ein umwerfend schneller Telegraph) (eigentlich ist die Rate$10.192{\rm GBps}$, von welchem$9.852{\rm GBps}$Nutzlast ist, in einem Synchronous Transmission Module Level 64 (STM-64) ;
2. Diese$10{\rm GBps}$Basisband Basisbandkanäle werden durch Wellenlängenmultiplexing auf einer Faser „gestapelt“ . Typischerweise gibt es bis zu mehreren Hundert solcher Kanäle pro Faser, was einer Übertragungskapazität von mehreren Terabit pro Faser entspricht.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die obige Organisation aus Einschränkungen bei der Sende- und Empfangselektronik resultiert (es fällt uns schwer, die Dinge zu vernünftigen Kosten zu betreiben, die höher sind als$10{\rm GBps}$Basisband), wird in keiner Weise durch die Physik der Faser festgelegt. Eine Faser könnte theoretisch etwa 1 Petabit pro Sekunde für jeden verwendeten Modalkanal ohne Regeneration über eine Entfernung von etwa zehn Kilometern senden. Einen Überblick über die Physik, die die Faser selbst begrenzt, finden Sie in meiner Antwort hier und in der Referenz, die ich am Ende zitiere.

Was ist also die zugrunde liegende Physik für all dies? Ich habe die folgende Zeichnung aus der JDSU-Produktliteratur abgerufen:

Gregory Lietaert, "Faser-Wasser-Peak-Charakterisierung"

und dies veranschaulicht vieles von dem, was ich sagen möchte:

Zwei Dinge schränken die Signalübertragung durch optische Fasern ein – Dämpfung und Dispersion. Es wurde viel Technologie entwickelt, um mit der letzteren Dispersion fertig zu werden, die die Bandbreite durch Verschlüsselung von Signalübertragungen durch variable Gruppenverzögerung begrenzt. Die Dispersion ist fast vollständig ein linearer Effekt, daher können ihre Effekte durch Geräte wie optische Fasergitter fast vollständig aufgehoben und kompensiert werden (siehe auch Gitter mit langer Periode und auch dispersionsverschobene Faser . Verlust ist ein viel größeres Problem und kann nur überwunden werden durch Regeneration durch Faserverstärker; Verlust begrenzt Übertragungsraten durch Rauschen: Selbst in einem perfekt sauberen System, in dem Verstärker eine Rauschzahl von Null hatten, herrscht die optische Quantengrenze vor und setzt die Grenze: siehe meine ausführliche Diskussion in meiner Antwort auf die Physik SE-Frage Maximale theoretische Bandbreite von Glasfasern .

Angesichts dieser Kommentare ist es offensichtlich, dass wir für Fasern mit vielen Kilometern Länge in Wellenlängenbändern arbeiten müssen, in denen die Dämpfung weniger als 1 dB pro Kilometer beträgt. Daher ist aus dem obigen Diagramm der Grund für die 1300-nm- und 1550-nm-Bänder offensichtlich. Das 1550-nm-Band ist das verlustärmere Band, aber historisch wurde das 1300-nm-Band zuerst verwendet, da dies die Null-Dispersionswellenlänge isteiner Silica-Faser mit einfachem Brechungsindex neigt dazu, zu sitzen. Bevor Dispersionsunterdrückungstechnologien wie Dispersionsverschiebungsfaser-Brechungsindexprofile und Fasergitter vollständig verfeinert wurden, neigte die Restdispersion dazu, die ultimative Grenze zu sein. Als dies gezähmt wurde, wurden die praktikablen Faserlängen länger, so dass das 1550-nm-Band allmählich verwendet wurde. Zur Realisierung von Regenerationsstationen in Fasernetzen ist außerdem die erbiumdotierte Faserverstärkertechnik entstanden, die bei 1550nm arbeitet. Aber heutzutage sind die von Glasfasern verlangten Bandbreiten so groß, dass alle praktikablen Bänder – jene zwischen etwa 1260 nm bis 1625 nm – verwendet werden müssen, wobei Forschungen im Gange sind, um Kanäle im 850-nm-Band zu öffnen.