Was ist der Kern einer optischen Faser? Der Weg des Lichts erklärt

Die Kern einer optische Faser ist das zentrale physikalische Medium – typischerweise ein hochreiner Strang aus Quarzglas oder Kunststoff – der Lichtsignale über die gesamte Länge des Kabels überträgt. Es ist das Herzstück der Faser, in dem mehr als 99 % der geführten optischen Leistung durch Totalreflexion eingegrenzt und ausgebreitet werden. Ohne den Kern wären die unglaublichen Datenraten moderner Telekommunikation, medizinischer Bildgebung und industrieller Sensorik nicht möglich.

Den Faserkern verstehen: Definition und Funktion

Die core is a cylindrical waveguide whose primary job is to transport modulated light from a transmitter to a receiver with minimal loss and distortion. In a standard glass optical fiber, the core is surrounded by a cladding layer that has a slightly lower refractive index. This precise index difference creates the optical boundary that traps photons inside the core, forcing them to travel along the fiber axis even when the cable bends.

Eine typische Singlemode-Faser, die in der Ferntelekommunikation verwendet wird, überträgt Infrarotlicht mit Wellenlängen um 1310 nm oder 1550 nm. Bei diesen Wellenlängen kann die Dämpfung nur gering sein 0,20 dB/km Dies bedeutet, dass ein Signal mehr als 100 km zurücklegen kann, bevor eine Regeneration erforderlich ist. Diese Transparenz wird erreicht, indem Verunreinigungen – insbesondere Wasser und Metallionen – im Kernmaterial auf Teile pro Milliarde reduziert werden.

Die Role of Refractive Index and Total Internal Reflection

Licht ist aufgrund eines Phänomens im Kern eingeschlossen totale innere Reflexion (TIR). Wenn ein im Kern wandernder Lichtstrahl in einem Winkel größer als der kritische Winkel auf die Kern-Mantel-Grenze trifft, wird er vollständig in den Kern zurückreflektiert, anstatt in den Mantel zu entweichen. Hierzu ist der Brechungsindex des Kerns erforderlich n ₁ unbedingt größer sein als der Index der Verkleidung n ₂ .

Die numerical aperture (NA) quantifies the light‑gathering ability of the fiber and is given by NA = √(n ₁ ² − n ₂ ²). Eine Singlemode-Faser weist typischerweise eine NA von auf 0,10 – 0,14 , während Multimode-Fasern, die für eine einfache Kopplung ausgelegt sind, über eine NA verfügen 0,20 – 0,29 . Eine größere NA nimmt mehr Licht auf, verbreitert aber auch die Modendispersion, wodurch die Bandbreite begrenzt wird.

Die precision of the index profile is engineered during fabrication. Schrittindex Profile halten den Kernindex einheitlich, während abgestufter Index Profile verringern den Index allmählich von der Mitte nach außen. Gradientenindex-Designs sind bei Multimode-Fasern mit hoher Bandbreite Standard, da sie die Modendispersion reduzieren, indem sie dafür sorgen, dass unterschiedliche Lichtwege nahezu gleichzeitig ankommen.

Kernmaterialien: Quarzglas vs. optische Kunststofffasern

Die vast majority of communication‑grade fiber cores are made from synthetisches Quarzglas (SiO ₂ ) dotiert mit Germaniumdioxid (GeO ₂ ) oder andere indexerhöhende Mittel. Durch die Dotierung mit Germanium wird der Brechungsindex gerade so weit angehoben, dass sich der Kern bildet, während der Mantel reines oder leicht mit Fluor dotiertes Siliziumoxid bleibt. Gemäß IEC 60793-2-50 müssen Singlemode-Fasern die Hydroxyl-Kontamination (OH⁻) unterschreiten 0,8 Teile pro Milliarde um eine Wasserspitzendämpfung in der Nähe von 1383 nm zu vermeiden.

Kunststoff-Lichtwellenleiterkerne (POF) hingegen bestehen aus Poly(methylmethacrylat) (PMMA) oder perfluorierte Polymere. Der Kerndurchmesser ist für Glasverhältnisse gigantisch – oft 0,5 mm bis 1 mm – was den Anschluss vereinfacht und POF resistent gegenüber Staub und Vibrationen macht. Allerdings leiden PMMA-basierte Kerne unter einer hohen Dämpfung von ca 150 dB/km bei 650 nm , was ihre Reichweite auf etwa 100 Meter begrenzt. Perfluoriertes POF reduziert die Dämpfung auf ca 10 dB/km , aber immer noch weit höher als bei Kieselsäure.

• Vorteile des Silica-Kerns: Extrem geringer Verlust (< 0,20 dB/km bei 1550 nm), hohe Temperaturstabilität, Kompatibilität mit dichtem Wellenlängenmultiplex.
• Vorteile des Kunststoffkerns: Großer Kern für einfache Ausrichtung, niedrige Kosten, Flexibilität, Betrieb mit sichtbarem Licht für Consumer-Audio- und Automobilnetzwerke.
• Spezialmaterialien: Chalkogenidgläser oder Saphirkerne werden für die Übertragung im mittleren Infrarotbereich und die Abgabe von Hochleistungslasern verwendet.

Kerngrößen und Standards: Singlemode vs. Multimode

Die Glasfaserleistung wird in erster Linie durch die physikalischen Abmessungen des Kerns bestimmt. Internationale Normungsgremien (ITU-T, IEC, ISO/IEC) definieren enge Fenster für Kerndurchmesser, Konzentrizitätsfehler und Modenfelddurchmesser, um die Interoperabilität zu gewährleisten.

Eigenschaften des Singlemode-Kerns

Die single‑mode core is designed to support only the fundamental LP ₀₁ Modus, wodurch die Modaldispersion vollständig eliminiert wird. Sein Durchmesser beträgt typischerweise 8,2 – 9,5 µm , mit einem Modenfelddurchmesser von ca 9,2 µm bei 1310 nm (ITU-T G.652.D). Die Grenzwellenlänge, der Punkt, unterhalb dessen die Faser mehrere Moden unterstützt, wird über 1260 nm gehalten, um einen echten Singlemode-Betrieb in den Bändern 1310 nm und 1550 nm zu gewährleisten.

Eigenschaften des Multimode-Kerns

Multimode-Kerne, standardisiert nach ISO/IEC 11801, gibt es in zwei Hauptdurchmessern: 50 µm (OM2, OM3, OM4, OM5) und 62,5 µm (OM1). Der größere Kern unterstützt Hunderte von räumlichen Modi, was die Kopplung mit kostengünstigen Lichtquellen wie VCSELs vereinfacht, aber eine modale Dispersion mit sich bringt. Um dies zu mildern, verwenden alle modernen Multimode-Fasern mit hoher Bandbreite ein Kernprofil mit abgestuftem Index, wodurch eine effektive modale Bandbreite von erreicht wird 4700 MHz·km bei 850 nm für OM4 und sogar noch höher für OM5 im 953-nm-Fenster.

Tabelle 1: Kernparameter und Leistungsvergleich zwischen Singlemode- und Multimode-Glasfasern. Daten stammen aus den Standards ITU-T G.652, G.651.1 und ISO/IEC 11801.

Wie Faserkerne hergestellt werden: Von der Vorform zur Zeichnung

Die core’s purity and precise index profile are born in a multi‑step vapor‑deposition process that builds a glass rod called a preform. The preform is then drawn into hair‑thin fiber while preserving its cross‑sectional geometry exactly.

Es werden drei gängige Abscheidungstechniken verwendet: Modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (MCVD) , Outside Vapour Deposition (OVD) , und Vapor Axial Deposition (VAD) . Beim MCVD werden hochreine Gase (SiCl ₄ , GeCl ₄ ) strömen in einem rotierenden Quarzrohr, während ein traversierender Brenner die Zone auf etwa 1600 °C erhitzt, wodurch sich Ruß Schicht für Schicht ablagert. Die Germaniumkonzentration des Kerns wird bei jedem Durchgang variiert, um das Brechungsindexprofil direkt in das Glas zu schreiben. Nach der Abscheidung kollabiert das Rohr bei Temperaturen nahe 2000 °C zu einem festen Stab.

Die OVD and VAD methods build the preform from the outside, enabling larger preforms and higher productivity. A porous soot boule is formed and later sintered into clear glass. The core‑cladding structure is defined by the radial composition of the deposited soot. The final preform — now a solid cylinder about 1 meter long and several centimeters thick — is loaded into a drawing tower. It is heated in a graphite furnace to around 2000 °C and drawn into fiber at speeds of 1200 – 1800 m/min . Zum Schutz der makellosen Glasoberfläche wird sofort eine zweischichtige UV-härtende Acrylatbeschichtung aufgetragen.

Dämpfungs- und Verlustmechanismen im Kern

Verluste im Kern entstehen durch Absorption, Streuung und Biegung. Die grundlegende Untergrenze ist Rayleigh-Streuung , verursacht durch mikroskopische Dichteschwankungen, die beim Abkühlen im Glas eingefroren werden. Der Rayleigh-Verlust beträgt λ⁻⁴, weshalb Single-Mode-Systeme von 1310 nm auf 1550 nm migrierten: Bei 1550 nm beträgt der Rayleigh-Beitrag etwa 0,12 – 0,15 dB/km , etwa die Hälfte des Wertes bei 1310 nm.

Infrarotabsorptionskanten von Si-O-Bindungsvibrationen machen sich ab 1600 nm bemerkbar, während ultraviolette Absorptionsfahnen im Infrarotbereich vernachlässigbar sind. Die Absorption von Verunreinigungen – vor allem durch OH⁻-Ionen – erzeugt einen Wasserpeak bei 1383 nm. Bei herkömmlichen Fasern könnte dieser Spitzenwert überschritten werden 3 dB/km , aber moderne „Low Water Peak“-Fasern (ITU-T G.652.D) unterdrücken ihn unter den Wert von 0,35 dB/km und ermöglichen so die Nutzung des E-Bands (1360-1460 nm) für grobes WDM.

Ein Verlust der Makrobiegung tritt auf, wenn die Faser zu eng gewickelt ist; Der Einschluss des Kerns wird schwächer und Licht strahlt in die Hülle. Für eine biegeunempfindliche G.657-Faser kann der zulässige Biegeradius nur klein sein 5 mm mit vernachlässigbarem zusätzlichem Verlust bei 1550 nm dank eines grabenunterstützten oder vertieften Mantelindexdesigns um den Kern.

Dispersion und ihr Einfluss auf das Kerndesign

Sowohl die chromatische Dispersion als auch die modale Dispersion entstehen durch die Wechselwirkung der Kerngeometrie und des Materials mit Licht. In einem Singlemode-Kern ist die chromatische Dispersion die Summe aus Materialdispersion und Wellenleiterdispersion. Durch die Abstimmung des Kerndurchmessers und des Index-Delta können Entwickler die Nulldispersionswellenlänge verschieben. Standard-G.652-Fasern platzieren die Null bei etwa 1310 nm , währenddispersionsverschobene Fasern (G.653) sie auf 1550 nm verschieben, indem sie die effektive Fläche des Kerns verringern und das Indexprofil anpassen. Dieser Kompromiss kann nichtlineare Effekte verstärken, daher behalten Fasern mit einer Dispersionsverschiebung ungleich Null (G.655) eine kleine Dispersion ungleich Null über das C-Band bei, um eine Vierwellenmischung zu unterdrücken.

In Multimode-Kernen ist die Modendispersion der dominierende Bandbreitenkiller. Ein 50-µm-Stufenindexkern weist eine modale Bandbreite von nur auf 20 – 50 MHz·km . Durch die Anwendung eines optimierten parabolischen Gradientenindexprofils steigt die Bandbreite sprunghaft an Tausende von MHz·km , was eine 100-Gbit/s-Übertragung über 100 Meter mit OM4-Glasfaser ermöglicht. Mit jeder Generation von Multimode-Fasern werden die Indexprofiltoleranzen verschärft, um die Gruppengeschwindigkeiten über alle Modengruppen hinweg besser anzugleichen.

Neue Kerntechnologien: Hohlkern- und Multicore-Fasern

Die next revolution in core design departs from solid glass altogether. Photonische Bandlückenfasern mit Hohlkern Leiten Sie Licht in einem luftgefüllten zentralen Bereich, der von einer mikrostrukturierten Hülle umgeben ist, die eine photonische Bandlücke erzeugt. Da sich Licht hauptsächlich in der Luft ausbreitet, sinkt die Latenz auf 1,5 µs/km – eine Reduzierung um 31 % im Vergleich zu Standardfasern – und die Nichtlinearität sinkt. Jüngste Untersuchungen berichteten über eine Abschwächung von 0,174 dB/km in einer Hohlkernfaser bei 1550 nm, wodurch der Abstand zu Vollkern-Aufzeichnungen verringert wird. Solche Fasern werden bereits für Finanzhandelsnetzwerke mit extrem niedriger Latenz und für die Bereitstellung von Hochenergielasern getestet.

Multicore-Fasern Integrieren Sie mehrere unabhängige Kerne in einen einzigen Mantel – typischerweise 4, 7 oder sogar 19 Kerne in einer sechseckigen Anordnung. Jeder Kern kann einen separaten Datenstrom übertragen, wodurch sich die Kapazität der Faser mit der Anzahl der Kerne vervielfacht, während der Manteldurchmesser beim Standardwert von 125 µm oder etwas größer bleibt. Übertragungsexperimente übersteigen 1 Petabit/s über eine einzelne Multicore-Faser wurden demonstriert, wobei jeder Kern den konventionellen Singlemode-Betrieb unterstützt. Die Herausforderung bleibt bei Fan-Out-Geräten und dem Intercore-Crosstalk-Management, aber Normungsgremien definieren bereits Charakterisierungsmethoden für Multicore-Fasern.

Visualisierung des Faserkerns

Die illustration below shows a simplified cross‑section of a standard single‑mode fiber. The core occupies the very center, followed by the cladding and the protective buffer coating.

Häufig gestellte Fragen zum Faserkern

Warum muss der Kern einen höheren Brechungsindex haben als der Mantel?

Totalreflexion kann nur auftreten, wenn Licht von einem Medium mit höherem Index zu einem Medium mit niedrigerem Index wandert. Wenn der Kernindex gleich oder kleiner als der Mantel wäre, würde das Licht nach außen gebrochen und die Faser würde nicht mehr leiten. Der Indexunterschied erzeugt eine optische Barriere, die den Kern in einen zylindrischen Spiegel verwandelt.

Warum ist der Singlemode-Kern so klein?

Die core diameter must be close to the wavelength of light to cut off all higher‑order modes. For operation at 1550 nm, a core diameter around 8–9 µm yields a normalized frequency V < 2.405, guaranteeing single‑mode propagation. A larger core would support multiple modes and introduce modal dispersion, severely limiting bandwidth‑distance product.

Kann eine Glasfaser mehr als einen Kern haben?

Ja. Multicore-Fasern werden für das Raummultiplexing eingesetzt und integrieren bis zu 19 unabhängige Kerne in einem Standardmanteldurchmesser. Jeder Kern fungiert als separater Singlemode-Kanal und vervielfacht die Datenkapazität eines einzelnen Glasfaserstrangs. Diese Technologie ist ein Schlüsselfaktor für zukünftige Unterseekabel der Petabit-Klasse.

Wie wird der Kern während der Herstellung rein gehalten?

Bei allen Dampfabscheidungsprozessen werden Vorläufergase in Halbleiterqualität verwendet, die auf Submikronebene gefiltert werden. Die gesamte Herstellung der Vorformlinge erfolgt in einer versiegelten, partikelfreien Umgebung, und das Glas wird direkt aus Dampf synthetisiert und nicht aus Rohmaterialien geschmolzen. Dieser Ansatz begrenzt die Kontamination mit Übergangsmetallen auf einen Wert unterhalb dessen 1 Teil pro Milliarde , was wichtig ist, um die Verlustuntergrenze von 0,2 dB/km zu erreichen.

Die core of an optical fiber may be small — sometimes invisible to the naked eye — but its material, geometry, and index profile decide everything about how fast, how far, and how cleanly light can deliver information. As hollow‑core and multicore designs mature, the fundamental definition of what a core can be is expanding, promising networks that are faster, lower‑latency, and more energy‑efficient than ever before.