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Step-Index Multimode-Faser vs. Graded-Index Multimode-Faser

Larry

Übersetzer*in Felix
11. April 2020

Multimode-Faser kann entsprechend der Brechungsindexverteilung der Faser in Step-Index-Faser und Graded-Index-Faser unterteilt werden. Da sich die beiden Typen von Multimode-Fasern in ihren Funktionsprinzipien unterscheiden, werden sie in unterschiedlichen Szenarien eingesetzt. Lesen Sie sich diesen Beitrag, um Einzelheiten zu den Arbeitsprinzipien und Anwendungen der beiden Systeme sowie die Unterschiede zwischen ihnen zu erfahren.

Step-Index Multimode-Faser: Funktionsweise und Anwendungen

Bei LWL ist eine Step-Index-Faser eine Faser, bei der ein gleichmäßiger Brechungsindex innerhalb des Kerns und ein stark verringerter Brechungsindex in der Kern-Mantel-Grenzfläche aufgrund des niedrigeren Brechungsindex im Mantel vorhanden ist. Bei Step-Index Multimode-Fasern breitet sich das Licht nach dem Prinzip der Totalreflexion zickzackförmig entlang der Faser-/Kernachse aus. Licht, das unter verschiedenen Einfallswinkeln in die Faser eintritt, durchläuft unterschiedliche Wege. Obwohl sich das einfallende Licht am Eingang gleichzeitig mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet, ist die Zeit bis zum Erreichen des Ausgangs der Faser unterschiedlich, was zu einer zeitlichen Dispersion führt, die als Modaldispersion bezeichnet wird.

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Da bei der digitalen Kommunikation Lichtimpulse verwendet werden, um Signale über die Länge der Faser zu übertragen, führt die modale Dispersion dazu, dass sich der Impuls stark verbreitert und ausbreitet, wenn er sich mit der Faser bewegt. Je mehr Modi die Faser überträgt, desto mehr Impulse breiten sich aus. Dies schränkt die Bandbreite von Step-Index Multimode-Fasern erheblich ein. Hinzu kommt, dass die Modaldispersion für die Kommunikation über Lichtwellenleiter nicht besonders gut ist. Bei digitalen Lichtwellenleitersystemen führt eine starke Streuung dazu, dass sich die Impulse überlappen, was zu Intersymbolinterferenzen (ISI) führt und die Bitfehlerrate (BER) erhöht. Daher wirkt sich die Faserdispersion nicht nur auf die Übertragungskapazität der Faser aus, sondern begrenzt auch die Übertragungsdistanz von Glasfaser-Kommunikationssystemen. Aufgrund dieser Einschränkung wird die Step-Index Multimode-Faser normalerweise in Kommunikationssystemen mit kurzen Entfernungen (innerhalb weniger Kilometer) und niedrigen Geschwindigkeiten (8 Mb/s oder weniger) mit relativ geringeren Kosten eingesetzt. Bei Step-Index Singlemode-Fasern sind die Dinge jedoch anders. In einer Step-Index Singlemode-Faser kann nur Licht eines Modus übertragen werden. Daher ist die Modaldispersion sehr gering, was sich weniger auf die Übertragungsdistanz auswirkt. Normalerweise sind Singlemode-Fasern alle Step-Index-Fasern.

Graded-Index Multimode-Faser: Funktionsweise und Anwendungen

Graded-Index-Multimode-Faser ist eine Art von optischer Faser, bei der der Brechungsindex an der Achse des Kerns höher ist und dann allmählich zur Kern-Mantel-Grenzfläche hin abnimmt. Das heißt, der Brechungsindex einer Graded-Index-Faser nimmt von ihrer Mitte aus allmählich ab und fällt schließlich auf den gleichen Wert wie der Mantel am Kernrand. Die Änderung des Brechungsindexes bewirkt eher Brechung als totale innere Reflexion. Wenn Licht durch eine Schicht mit einem niedrigeren Brechungsindex hindurchtritt, wird das Licht zur Faserachse zurückgefaltet. Eine innere Totalreflexion tritt nicht auf, da die Brechung das Licht in die Faserachse zurückfaltet, bevor es die Mantelbegrenzung erreicht.

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Bei einer Graded-Index Multimode-Faser bewegt sich das Licht in Form einer Sinusschwingung vorwärts. Wie bei Step-Index-Multimode-Fasern laufen verschiedene Lichter in einer Graded-Index-Multimode-Faser auf verschiedenen Wegen. Die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in Graded-Index Multimode-Fasern ist jedoch unterschiedlich, da die Geschwindigkeit des geführten Lichts mit dem Brechungsindex des Faserkerns variiert. Je weiter das Licht vom Zentrum der Faser entfernt ist, desto höher ist seine Geschwindigkeit. Der Geschwindigkeitsunterschied kompensiert die längeren Wege der Lichtstrahlen, die am weitesten von der Mitte der Faser entfernt sind. Diese Entzerrung der Übertragungszeit der verschiedenen Modi reduziert die Modendispersion erheblich, wodurch bei Graded-Index-Fasern eine höhere Bandbreite als bei Step-Index-Fasern erreicht wird. Daher ist heute der größte Teil der Multimode-Faser eine Graded-Index-Faser. Im Vergleich zur Step-Index-Faser wird die Graded-Index-Faser gewöhnlich in Kommunikationssystemen mit mittleren Entfernungen (10~20 km) und relativ höheren Geschwindigkeiten (34~140 Mb/s) und höheren Kosten verwendet.

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Step-Index Multimode-Faser vs. Graded-Index Multimode-Faser

Step-Index Multimode-Faser und Graded-Index Multimode-Faser unterscheiden sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten:

Feature Step-Index Multimode-Faser Graded-Index Multimode-Faser
Bandbreite Niedriger Höher
Durchmesser des Kerns 50-200 µm Etwa 50 µm
Anwendungs-Szenarien Gewöhnlich in Kommunikationssystemen für kurze Entfernungen (innerhalb weniger Kilometer) und bei niedrigen Geschwindigkeiten (8 Mb/s oder weniger) verwendet Gewöhnlich in Kommunikationssystemen über mittlere Entfernungen (10~20 km) und bei relativ hohen Geschwindigkeiten (34~140 Mb/s) verwendet
Art der Datenübertragung Licht breitet sich in Form eines Zickzacks entlang der Faser-/Kernachse aus Licht bewegt sich in Form von sinusförmigen Schwingungen/Kurven vorwärts
Modaldispersion Beeinflusst die Übertragungskapazität der Glasfaser und begrenzt die Übertragungsdistanz Stark verringerte Dispersion als Step-Index Multimode-Faser, wodurch eine höhere Bandbreite erreicht wird
Performance Relativ schlechter Relativ besser
Kosten Niedriger Höher

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