Grundlagen der faseroptischen Übertragungstechnik

Bei der Verständigung von Menschen über größere Entfernungen sind seit dem Altertum optische Signale in Gebrauch gewesen. Die einfachen Sender erzeugten Blinkzeichen und Rauchsignale, als Empfänger fungierte der Mensch. Die optischen Signale wurden als nicht geführte Wellen durch die Atmosphäre übertragen.

Gegenstand der folgenden Ausführungen wird vorzugsweise eine ebene elektromagnetische Welle, kurz Planwelle genannt, sein. Wenn die Wellenlängen der betrachteten harmonischen Wellen hinreichend klein sind, handelt es sich um optische Wellen (s. Abschn. 1.1). Anhand der harmonischen Planwelle werden wir einige wichtige Erscheinungen, wie Brechung, Reflexion, Totalreflexion, Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit und Materialdispersion, quantitativ erläutern. Diese Erscheinungen spielen in optischen Wellenleitern, insbesondere in Glasfasern für die optische Übertragungstechnik, eine entscheidende Rolle.

Unter der Strahlenoptik, auch geometrische Optik genannt, versteht man den Grenzfall der Wellenoptik, der aus dieser entsteht, wenn die Wellenlänge gegen Null geht. Die Anwendung der Strahlenoptik als Näherungstheorie ist immer dann zulässig, wenn die Wellenlänge des verwendeten Lichts hinreichend klein gegen alle interessierenden linearen Abmessungen der optischen Geräte ist. Dann kann man nämlich das sich ausbreitende Licht als ein Bündel von Lichtstrahlen betrachten. Nehmen wir als Beispiel eine Vielwellenfaser. Ihr Kerndurchmesser beträgt d = 50 μm, die Lichtwellenlänge in der Faser sei etwa λ_z ≈ 0,5 μm. In diesem Falle ist d/λ_z = 1%, also ist die geometrische Optik noch anwendbar, d. h. sie liefert für zahlreiche Anwendungsfälle noch brauchbare Näherungslösungen. Aus diesem Grunde behandeln wir in diesem Kapitel einige ihrer Grundlagen.

Im einleitenden Kapitel 1 wurden die wichtigsten Typen von Glasfasern qualitativ vorgestellt. In diesem Kapitel werden einige wichtige Eigenschaften quantitativ behandelt. Dabei benützen wir die Ergebnisse der Kapitel 2 und 3 (Wellenoptik bzw. Strahlenoptik). Für die Anwendungen ist häufig die genaue Kenntnis der Feldverteilung in den Glasfasern weniger wichtig als die Kenntnis der Laufzeiten. Aus diesem Grunde benutzen wir im folgenden zunächst die Strahlenoptik bzw. die WKB-Optik, die über viele Fragen der Laufzeit in Vielwellenfasern sehr genaue Auskunft gibt. Erst bei der Behandlung der Einwellenfaser werden wir auf die Wellenoptik zurückkommen. Ziel der folgenden Darstellung ist es nicht, eine vollständige Theorie zu entwickeln (wir werden weiterhin von zahlreichen Näherungen Gebrauch machen!), sondern das theoretische Verständnis für die betrachteten Phänomene zu wecken.