Modaldispersion

Modendispersion ist ein Verzerrungsmechanismus, der in Multimodefasern und anderen Wellenleitern auftritt . Dabei wird das Signal zeitlich gestreckt, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des optischen Signals nicht für alle Moden gleich ist . Weitere Bezeichnungen für dieses Phänomen sind Multimode-Verzerrung , Multimode -Dispersion , Modenverzerrung , Intermode-Verzerrung , Intermode-Dispersion und Intermode-Verzögerungsverzerrung . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

In der Analogie der Strahlenoptik lässt sich die Modendispersion in einer Stufenindex-Lichtleitfaser mit der Mehrwegeausbreitung eines Funksignals vergleichen . Lichtstrahlen treten unter verschiedenen Winkeln zur Faserachse in die Faser ein, bis hin zum Akzeptanzwinkel der Faser . Strahlen mit flacherem Einfallswinkel legen einen direkteren Weg zurück und erreichen ihr Ziel früher als Strahlen mit steilerem Einfallswinkel (die auf ihrem Weg durch die Faser viel häufiger an den Kernwänden reflektiert werden ). Das Eintreffen der verschiedenen Signalkomponenten zu unterschiedlichen Zeitpunkten führt zu einer Verzerrung der Signalform. ^{[ 3 ]}

Die Modendispersion begrenzt die Bandbreite von Multimodefasern. Beispielsweise wäre die Bandbreite einer typischen Stufenindexfaser mit einem 50-  µm -Kern auf etwa 20 MHz pro Kilometer Länge begrenzt, also auf 20 MHz·km. Die Modendispersion lässt sich durch die Verwendung eines Kerns mit abgestuftem Brechungsindexprofil zwar deutlich reduzieren, aber nie vollständig eliminieren . Multimode-Gradientenindexfasern mit Bandbreiten von über 3,5 GHz·km bei 850 nm werden jedoch mittlerweile häufig für den Einsatz in 10-Gbit/s-Datenverbindungen hergestellt.

Die Modendispersion ist nicht mit der chromatischen Dispersion zu verwechseln , einer Verzerrung, die durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht verschiedener Wellenlängen entsteht. Modendispersion tritt selbst bei einer idealen, monochromatischen Lichtquelle auf.

Ein Sonderfall der Modendispersion ist die Polarisationsmodendispersion (PMD), ein Dispersionsphänomen in Fasern, das üblicherweise mit Einmodenfasern in Verbindung gebracht wird. PMD entsteht, wenn sich zwei Moden, die sich aufgrund der geometrischen und spannungsbedingten Symmetrie des Faserkerns normalerweise mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten (beispielsweise zwei orthogonale Polarisationen in einem Wellenleiter mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt), aufgrund zufälliger Imperfektionen, die die Symmetrie brechen, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten.

Bei Multimode-Glasfasern mit vielen sich ausbreitenden Wellenlängen ist es mitunter schwierig, die dispergierte Wellenlänge aus der Vielzahl der vorhandenen Wellenlängen zu identifizieren, solange noch keine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit vorliegt. Man kann die aktuelle optische Leistung jeder Wellenlänge mit den Sollwerten vergleichen und nach Abweichungen suchen. Anschließend wird die Glasfaser von Ende zu Ende geprüft. Findet sich kein Verlust, liegt höchstwahrscheinlich Dispersion bei der betreffenden Wellenlänge vor. Normalerweise prüfen Ingenieure die Faser abschnittsweise, bis sie den betroffenen Abschnitt erreichen. Dabei werden alle Wellenlängen getestet, und die betroffene Wellenlänge verursacht einen Verlust am anderen Ende der Faser. Man kann leicht berechnen, wie viel der Faser betroffen ist, und diesen Abschnitt durch eine neue Faser ersetzen. Ein Austausch der Glasfaser ist nur dann erforderlich, wenn eine starke Dispersion vorliegt und die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt ist; andernfalls können verschiedene Methoden zur Kompensation der Dispersion eingesetzt werden.

• Interaktive Webdemo zur Modendispersion, Institut für Telekommunikation, Universität Stuttgart