Lichtausbreitung: Reflexion, Moden, numerische Apertur

Eine Faser ist ein Wellenleiter: ein Glaskern, umgeben von Glas mit etwas niedrigerem Brechungsindex, sodass Licht, das die Grenzfläche in flachem Winkel trifft, zurückreflektiert wird statt zu entweichen. Aus dieser einen Tatsache folgen die Unterschiede zwischen Singlemode- und Multimode-Faser, der Akzeptanzwinkel, der entscheidet, wie viel Licht einer Quelle eingekoppelt wird, der Grund, warum eine enge Biegung Licht verliert, und die Klassen OM1–OM5 und OS2, auf die sich Datenblätter beziehen. Diese Seite behandelt diese Physik in der Tiefe, die für die Link-Planung gebraucht wird.

Aufbau einer Faser

Der Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel ist winzig — etwa 0,3–0,5 % —, aber er reicht aus, weil sich das Licht fast parallel zur Achse bewegt.

Totalreflexion und numerische Apertur

Licht, das von einem dichteren in ein weniger dichtes Medium übertritt, wird vom Lot weg gebrochen; jenseits des Grenzwinkels wird es vollständig reflektiert. In einer Faser bedeutet das, dass Strahlen innerhalb eines Kegels um die Achse eingefangen werden. Der Halbwinkel dieses Kegels in Luft wird durch die numerische Apertur festgelegt:

Höhere NA = leichtere Einkopplung, aber mehr Moden und mehr modale Dispersion.

Moden

Eine Mode ist ein stabiles Feldmuster, das sich im Wellenleiter fortbewegen kann. Wie viele existieren, hängt von der Kerngröße, der NA und der Wellenlänge ab (der V-Zahl):

Singlemode-Faser ist nur oberhalb ihrer Grenzwellenlänge einmodig (≈ 1 260 nm bei G.652): bei 850 nm führt sie mehrere Moden, weshalb ein 850-nm-SR-Modul auf Singlemode-Faser nicht richtig funktioniert und weshalb „Singlemode bei 1310/1550“ die passende Kombination ist (Physische Fehlanpassungen).

Stufenindex und Gradientenindex

Die Qualität des Gradientenprofils unterscheidet OM3 (2 000 MHz·km) von OM4 (4 700 MHz·km): dieselbe Geometrie, eine präzisere Indexkurve.

Modenfelddurchmesser und Koppelverlust

In Singlemode-Faser ist das Licht nicht auf den 9-µm-Kern beschränkt; sein Modenfelddurchmesser (MFD) beträgt ≈ 9,2 µm bei 1310 nm und ≈ 10,4 µm bei 1550 nm. Zwei Fasern mit unterschiedlichem MFD oder ein lateraler Versatz an einem Steckverbinder verlieren Licht:

Daher die Regeln „nie 50 und 62,5 mischen“ und „nie Singlemode und Multimode mischen" (Steckverbinder & Fasertypen).

Biegeverlust

Multimode ist toleranter gegenüber Biegungen, verliert aber zuerst Moden höherer Ordnung, was seine Bandbreite verändert.

Faserklassen in einer Tabelle

Reichweite nach PMD und Klasse: Reichweitentabellen.

Was das für den Transceiver bedeutet

• Der Steckverbinder- und Fasertyp des Moduls müssen zur Trasse passen: SR/SR4 auf OM3/OM4, alles andere auf OS2.
• Die Einkopplungsbedingung eines Lasers (Encircled Flux bei VCSELs) ist in den Standards definiert, damit die Multimode-Bandbreitenwerte gelten — ein Modul außerhalb der Spezifikation liefert eine kürzere Reichweite, als die Tabellen versprechen.
• Singlemode-Module auf Multimode-Faser (mit einem modenkonditionierenden Patchkabel) waren ein Trick bei 1G (1000BASE-LX auf OM1); das lässt sich nicht auf 10G+ übertragen.

In CodingBox

Das Modul teilt dem Host mit, für welche Faser es gedacht ist: Steckverbinder-Code, Wellenlänge und die Längenfelder für SMF, OM1, OM2, OM3 und OM4 — dieselben Klassen wie oben. CodingBox zeigt sie an, damit die Faserfrage geklärt ist, bevor das Modul die Werkbank verlässt (Check transceiver, Speicherbelegung).

Die standardisierten Fasern, die aus diesen Prinzipien hervorgehen — ITU-T G.652 bis G.657, die Multimode-Klassen OM1–OM5, Spezialfasern, Verbindungsverluste zwischen unterschiedlichen Fasern und wie sich identifizieren lässt, was verlegt ist: Fasertypen.