Dispersion (Glasfaser)
Dispersion ist in der Optik die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen von ihrer Wellenlänge λ. Insbesondere in Glasfasern laufen Signale verschiedener Farben daher auseinander. Dies wird als chromatische Dispersion bezeichnet.
Die Brechzahl eines Mediums ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Kurzwellige Farben haben in der Regel eine größere Brechzahl als längerwellige. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist abhängig von der Brechzahl und kurze Lichtpulse haben notwendigerweise eine gewisse spektrale Breite. Daher führt die Weiterleitung solcher Pulse in einem dispersiven Medium im Allgemeinen zu einer Verbreiterung der Pulse. Die Signalform wird verwaschen und dadurch die Übertragungsrate begrenzt.
Die chromatische Dispersion wirkt bei einer Übertragungsrate von 10 Gbit/s in Glasfasern ab 25 km deutlich störend. Zwar gibt es Glasfasern aus speziell strukturierten Materialien, zum Beispiel die „Dispersion Shifted Fiber (DSF)“, die auf geringe chromatische Dispersion im dritten optischen Fenster bei 1550 nm optimiert ist, oder die „Non-Zero Dispersion Shifted Fiber (NZ-DSF)“. Trotzdem muss aber die chromatische Dispersion zusätzlich aktiv kompensiert werden, wenn bei Bitraten von 2,5 bis 40 GBit/s große Übertragungslängen erreicht werden sollen.
Es gibt verschiedene Ursachen für die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit:
- Modendispersion: Ursache für diese Dispersion sind die verschiedenen Ausbreitungen der geführten Moden gleicher Wellenlänge, da sich das Licht hier unterschiedliche Wege suchen kann. Für Einmodenglasfasern entfällt diese Art der Dispersion.
- Materialdispersion: Ursache ist die Abhängigkeit der Brechzahl n des Glases von der Wellenlänge. Diese Art der Dispersion wechselt ihr Vorzeichen abhängig von der Glassorte im nahen Infrarot. Das bedeutet, dass bei einer bestimmten Wellenlänge die Materialdispersion 0 wird und man spricht von Nulldispersion bei Wellenlänge x. (Von Nulldispersion wird allerdings auch gesprochen, falls sich (z. B. bei einer bestimmten Wellenlänge) zwei Dispersionsarten aufheben oder die Chromatische Dispersion ein Minimum aufweist).
- Wellenleiterdispersion: Die Eindringtiefe einer Mode in den Mantel hängt von der Wellenlänge ab. Dadurch erfährt das Licht im Mittel eine andere effektive Brechzahl, was letztendlich zu einem veränderten Dispersionsverlauf führt. Über das Verändern des Brechzahlprofils kann man so die Dispersion einer Glasfaser beeinflussen.
- Polarisationsmodendispersion (PMD): Licht unterschiedlicher Polarisation breitet sich in einem doppelbrechenden Medium unterschiedlich schnell aus. Eine Glasfaser ist entweder aufgrund ihrer Bauform doppelbrechend oder aufgrund einer Biegung der Glasfaser. Dieser Effekt kann durch polarisationserhaltende Glasfasern unterdrückt werden.
Die Übertragungskapazität von Glasfaserkabeln ist mit neuen Technologien in den letzten Jahren rasant gestiegen. Mit Wellenlängenmultiplexverfahren können inzwischen bis zu 160 Übertragungskanäle (verschiedene Wellenlängen) gleichzeitig übertragen werden und es kann eine Bitrate von 40 GBit/s pro Kanal/Wellenlänge nicht nur im Labor, sondern bereits mit kommerziell erhältlichen Geräten über eine Glasfaser übertragen werden. War bisher die entfernungsabhängige Dämpfung des Lichts der limitierende Faktor, so treten mit diesen hohen Werten andere begrenzende Eigenschaften der Faser in den Vordergrund: die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit und nichtlineare Effekte der Glasfaser. Allerdings besteht die Möglichkeit, dass eine Kombination beider Effekte (sie sind proportional zur Impulsdauer bzw. zur Spitzenleistung) ein sogenanntes Soliton erzeugt, ein Wellenpaket bei dem die Form stabil bleibt und nicht zerfließt. Es ist daher denkbar, dass mit dieser Technik die Übertragungsrate weiter verbessert werden kann.
