Multimode-Fasern: Stufenindex vs. Gradientenindex

Basierend auf der Brechungsindexverteilung kann die Multimode-Faser (MMF) in zwei Kategorien eingeteilt werden: Gradientenindex-Faser und Stufenindex-Faser. Gradientenindex- und Stufenindexfasern haben unterschiedliche Funktionsprinzipien und werden für verschiedene Netzwerkszenarien in Betracht gezogen. Vorab in diesem Beitrag werden wir auch die Unterschiede zwischen den beiden Arten von Multimode-Fasern und ihren Anwendungen diskutieren.

Bei diesem Fasertyp wird im Kern ein gleichmäßiger Brechungsindex beibehalten. An der Kern-Mantel-Grenzfläche ist der Brechungsindexwert nahezu Null, was zu einer scharfen Reflexion von Lichtstrahlen führt. Dieser schlechte Brechungsindex an der Kern-Mantel-Grenzfläche ist ein Ausdruck des niedrigeren Brechungsindex des Mantels. Stufenindex-Multimode-Fasern arbeiten nach dem Prinzip der Totalreflexion und ermöglichen es, Licht in einem Zickzack-Muster über die Faser/Kern-Achse zu leiten.

Licht, das unter verschiedenen Einfallswinkeln in die Stufenindex-Multimode-Faser eintritt, durchläuft verschiedene Pfade, die einen effektiven Multimode-Betrieb gewährleisten. Jeder Lichtstrahl bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit über die Faser, die Zeit bis zum Austritt hängt jedoch von dem Winkel ab, unter dem er in die Faser eintritt. Strahlen, die unter steileren Winkeln eintreffen, wirken einer stärkeren Reflexion entgegen, so dass sie später austreten als die Lichtstrahlen, die unter weniger steilen Winkeln eintreffen.

Modale Streuung im Stufenindex MMF

Wie wir oben diskutiert haben, werden in Multimode-Fasern Lichtstrahlen entlang der Faserachse mit unterschiedlichen Winkeln eingeführt. Strahlen, die mit einem flacheren Winkel einfallen, nehmen einen relativ direkten Weg, um das Ende der Faser zu erreichen. Andererseits benötigen Strahlen, die mit scharfen Winkeln eingeführt werden, mehr Zeit, um die Faser zu verlassen, da sie mehr Reflexionsphasen an den Mantel-/Kerngrenzen durchlaufen. Bei Multimode-Fasern wird dieser Verzerrungsmechanismus durch ein Phänomen namens Modaldispersion oder intermodale Verzerrung dargestellt.

Bei der Glasfaser-basierten, digitalen Kommunikation werden Lichtimpulse zur Übertragung von Signalen über die Glasfaser verwendet. Die Modendispersion bewirkt, dass sich die Signale oder Impulse zeitlich ausbreiten, da optische Signale, die mit unterschiedlichen Moden erzeugt werden, mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten kommen. Bei Multimode-Fasern hängt die Größe der Impulsausbreitung von der Anzahl der übertragenen Moden ab. Die verfügbare Bandbreite der Stufenindex-Multimode-Faser wird beeinträchtigt, wenn sie einer höheren Anzahl von Moden ausgesetzt wird. Die Modendispersion neigt dazu, die Leistung eines Kommunikationssystems auf Glasfaserbasis zu verschlechtern, da im Falle einer starken Dispersion eine Überlappung von Impulsen nicht verhindert werden kann, was zu einer verminderten Bitfehlerrate (BER) führt.

Step-Index Multimode-Faser-Anwendungen

Aus der früheren Diskussion ist ganz offensichtlich, dass Stufenindex-Multimode-Fasern mit höherer Dispersion arbeiten. Die Faserdispersion wirkt sich nicht nur auf die Datenübertragungsfähigkeit der Faser aus, sondern sie begrenzt auch die maximale effektive Kommunikationsentfernung. Aufgrund dieser Einschränkungen wird die Stufenindex-Multimode-Faser im Allgemeinen nur für Anwendungen mit niedrigen Geschwindigkeiten und kurzen Entfernungen in Betracht gezogen. Dieser Fasertyp eignet sich eher für Anwendungen, bei denen höhere Leistungsdichten erforderlich sind, wie z.B. in der industriellen und medizinischen Leistungsübertragung. Für die Datenübertragung und Telekommunikation werden Gradientenindex-Fasern bevorzugt.

Bei diesem Fasertyp wird ein höherer Brechungsindex an der Kernachse beibehalten, der mit zunehmendem radialen Abstand (gemessen vom Kernmittelpunkt) allmählich abnimmt. Kurz gesagt, der Brechungsindex innerhalb einer Gradientenindex-Faser nimmt von ihrem Zentrum weg ab und am Rand ihres Kerns wird der Brechungsindexwert fast gleich dem Brechungsindexwert des Mantels. Diese allmähliche Änderung des Brechungsindexwertes führt zu innerer Brechung anstelle von Reflexion. So biegen sich die Lichtstrahlen zur Faserachse hin, während sie sich durch die Faser mit niedrigem Brechungsindex bewegen. Bei Multimode-Fasern vom Gradientenindex-Typ sehen wir fast keine interne Totalreflexion, da die Lichtstrahlen zur Kernachse zurückgedrängt werden, bevor sie auf den Mantel treffen. Es folgen einige bemerkenswerte Eigenschaften der Gradientenindex-Multimode-Faser;

• Geringer Verlust
• Hohe Bandbreite
• Erweiterungsfähigkeit
• Geringe Empfindlichkeit gegenüber Makro-Biegung
• Geringe Empfindlichkeit gegenüber Mikrobiegung
• Unterstützt längere Distanzen

Modale Streuung in Gradientenindex-MMF

Modaldispersion ist ein häufiges Phänomen bei Multimode-Faseranwendungen, bei denen verschiedene Lichtmodi gleichzeitig in die Faser eintreten, aber asynchron wieder austreten. In Gradientenindex-Multimode-Fasern kann der Effekt der Modaldispersion deutlich reduziert werden, da die Lichtgeschwindigkeit im Kern mit dem Brechungsindex variiert. Licht, das sich vom Kern der Faser wegbewegt, verbessert sich in der Geschwindigkeit, da der Brechungsindex allmählich abnimmt. Dieser Geschwindigkeitsunterschied gleicht die längeren Zeiten aus, die die Lichtstrahlen, die längere Wege zurückgelegt haben, benötigen. Infolgedessen bleibt bei Gradientenindex-Multimode-Fasern die Übertragungszeit der verschiedenen Moden nahezu identisch, was zu einer erheblichen Verringerung der Modelldispersion führt und die Faser für den Betrieb mit einer höheren Bandbreite geeignet macht.

Die obige Abbildung zeigt dies;

• Zwei Lichtstrahlen (Modus A und Modus B) traten mit unterschiedlichen Einfallswinkeln in die Faser ein
• Beide Lichtstrahlen verließen die Faser ungefähr zur gleichen Zeit.
• Modus A durchlief einen längeren Weg und legte mehr Distanz zurück.
• Modus B durchlief relativ gesehen eine kürzere Route.
• Die mit Modus A zurückgelegte längere Strecke wurde durch seine höhere Durchschnittsgeschwindigkeit kompensiert.
• Bereiche mit niedrigem Brechungsindex der Faser ermöglichten es dem Modus A, bessere Geschwindigkeiten zu erreichen
• Der Modus B blieb näher an der Faserachse, weshalb er sich mit geringerer Geschwindigkeit bewegte.

Graded-Index-Multimode-Faser-Anwendungen

Der Graded-Index MMF hat sich als Standardwahl für Multimode-Glasfaseranwendungen entwickelt. Heute wird diese Art von Faser in Datenübertragungsanwendungen in großem Umfang eingesetzt. Dieser Fasertyp wird für Hochgeschwindigkeitsanwendungen (34 Mb/s bis 140 Mb/s) und Anwendungen über mittlere Entfernungen (10 km-20 km) in Betracht gezogen. Stufenindex-Fasern können diese höhere Bandbreite und Entfernung wegen der großen Modellstreuung der internen Verzerrung nicht bewältigen.

Die meisten heutigen Anwendungen verwenden einen Gradientenindex, wenn es um die bevorzugte Art der Multimode-Faser geht. Verschiedene Hersteller produzieren unterschiedliche Gradientenindex-Fasertypen. Hier ist es wichtig zu verstehen, dass die Kern- und Mantelgröße zwei der wichtigsten Designparameter sind. Heute werden Kabel mit verschiedenen Kombinationen von Kern- und Mantelgrößen hergestellt. Das 62,5/125-Faserkabel bietet jedoch die beste Leistung und kann für eine Vielzahl von Anwendungen in Betracht gezogen werden. Auf der anderen Seite wird die Multimode-Faser mit Stufenindex nur für Anwendungen mit geringer Reichweite und niedriger Bandbreite in Betracht gezogen. In der folgenden Tabelle sehen Sie einen schnellen Vergleich zwischen den beiden Arten von Multimode-Fasern.

• Stufenindex-Faser und Gradientenindex-Faser sind zwei Arten von Multimode-Fasern
• Gradientenindex-Faser bietet überlegene Übertragungsqualität, höhere Bandbreite und größere Entfernungen
• Höhere Modaldispersion begrenzt die Bandbreite der Stufenindexfaser
• In modernen Kommunikationsanwendungen werden Gradientenindexfasern bevorzugt.
• Stufenindex-Faser ist billiger, aber sie kann weder höhere Bandbreite noch größere Entfernungen bieten