Wat is de kern van een optische vezel? De weg van het licht uitgelegd

De kern van een optische vezel is het centrale fysieke medium – meestal een ultrazuivere streng silicaglas of plastic – dat lichtsignalen over de gehele lengte van de kabel transporteert. Het is het hart van de vezel, waar meer dan 99% van het geleide optische vermogen wordt opgesloten en zich voortplant via totale interne reflectie. Zonder de kern zouden de ongelooflijke datasnelheden van moderne telecommunicatie, medische beeldvorming en industriële detectie onmogelijk zijn.

De vezelkern begrijpen: definitie en functie

De 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.

Een typische singlemode-vezel die in langeafstandstelecommunicatie wordt gebruikt, transporteert infraroodlicht met golflengten rond 1310 nm of 1550 nm. Bij deze golflengten kan de verzwakking zo laag zijn als 0,20 dB/km , wat betekent dat een signaal meer dan 100 km kan afleggen voordat regeneratie nodig is. Deze transparantie wordt bereikt door de onzuiverheden – vooral water- en metaalionen – in het kernmateriaal terug te brengen tot delen per miljard.

De Role of Refractive Index and Total Internal Reflection

Licht wordt opgesloten in de kern vanwege een fenomeen dat wordt genoemd totale interne reflectie (TIR). Wanneer een lichtstraal die door de kern reist de kern-bekledingsgrens raakt onder een hoek die groter is dan de kritische hoek, reflecteert deze volledig terug in de kern in plaats van te ontsnappen in de bekleding. Hiervoor is de brekingsindex van de kern vereist n ₁ strikt groter te zijn dan de index van de bekleding n ₂ .

De numerical aperture (NA) quantifies the light‑gathering ability of the fiber and is given by NA = √(n ₁ ² − n ₂ ²). Een single-mode glasvezel vertoont doorgaans een NA van 0,10 – 0,14 , terwijl multimode-vezels die zijn ontworpen voor eenvoudige koppeling een NA rondom hebben 0,20 – 0,29 . Een grotere NA accepteert meer licht, maar verbreedt ook de modale spreiding, waardoor de bandbreedte wordt beperkt.

De precision of the index profile is engineered during fabrication. Stap-index profielen houden de kernindex uniform, terwijl gesorteerde index profielen verlagen geleidelijk de index vanuit het midden naar buiten. Ontwerpen met een graded-index zijn standaard bij multimode glasvezel met hoge bandbreedte, omdat ze de modale spreiding verminderen door ervoor te zorgen dat verschillende lichtpaden vrijwel tegelijkertijd arriveren.

Kernmaterialen: silicaglas versus plastic optische vezels

De vast majority of communication‑grade fiber cores are made from synthetisch gesmolten silica (SiO ₂ ) gedoteerd met germaniumdioxide (GeO ₂ ) of andere indexverhogende middelen. Germaniumdotering verhoogt de brekingsindex net genoeg om de kern te vormen, terwijl de bekleding puur of licht met fluor gedoteerd silica blijft. Volgens IEC 60793-2-50 moeten single-mode vezels de hydroxylverontreiniging (OH⁻) onder de 0,8 delen per miljard om waterpiekverzwakking nabij 1383 nm te voorkomen.

Daarentegen zijn kernen van optische vezels (POF) van kunststof opgebouwd poly(methylmethacrylaat) (PMMA) of geperfluoreerde polymeren. De kerndiameter is naar glasstandaarden gigantisch – vaak 0,5 mm tot 1 mm — wat de aansluiting vereenvoudigt en POF tolerant maakt voor stof en trillingen. Op PMMA gebaseerde kernen hebben echter te kampen met een hoge demping 150 dB/km bij 650 nm , waardoor hun bereik wordt beperkt tot ongeveer 100 meter. Geperfluoreerde POF vermindert de demping tot ruwweg 10 dB/km , maar nog steeds veel hoger dan silica.

• Voordelen van de silicakern: ultralaag verlies (< 0,20 dB/km bij 1550 nm), hoge temperatuurstabiliteit, compatibiliteit met multiplexing met dichte golflengte.
• Voordelen van kunststof kern: grote kern voor eenvoudige uitlijning, lage kosten, flexibiliteit en werking met zichtbaar licht voor consumentenaudio en autonetwerken.
• Speciale materialen: chalcogenideglazen of saffierkernen worden gebruikt voor middeninfraroodtransmissie en laserafgifte met hoog vermogen.

Kerngroottes en standaarden: Single-mode vs. Multimode

Vezelprestaties worden in de eerste plaats bepaald door de fysieke afmetingen van de kern. Internationale normalisatie-instellingen (ITU-T, IEC, ISO/IEC) definiëren nauwe vensters voor kerndiameter, concentriciteitsfouten en modusvelddiameter om interoperabiliteit te garanderen.

Single-mode kernkenmerken

De single‑mode core is designed to support only the fundamental LP ₀₁ modus, waardoor modale spreiding volledig wordt geëlimineerd. De diameter is typisch 8,2 – 9,5 µm , met een modusvelddiameter van ongeveer 9,2 µm bij 1310 nm (ITU‑T G.652.D). De grensgolflengte, het punt waaronder de vezel meerdere modi ondersteunt, wordt boven 1260 nm gehouden om echte single-mode werking in de 1310 nm- en 1550 nm-banden te garanderen.

Multimode kernkenmerken

Multimode-kernen, gestandaardiseerd onder ISO/IEC 11801, zijn verkrijgbaar in twee hoofddiameters: 50 µm (OM2, OM3, OM4, OM5) en 62,5 µm (OM1). De grotere kern ondersteunt honderden ruimtelijke modi, wat de koppeling aan goedkope lichtbronnen zoals VCSEL's vereenvoudigt, maar modale spreiding introduceert. Om dit te verzachten gebruiken alle moderne multimode vezels met hoge bandbreedte een kernprofiel met een graded index, waardoor een effectieve modale bandbreedte van 4700 MHz·km bij 850 nm voor OM4 en zelfs hoger voor OM5 in het 953 nm-venster.

Tabel 1: Kernparameters en prestatievergelijking tussen single-mode en multimode optische vezels. Gegevens afkomstig van ITU-T G.652, G.651.1 en ISO/IEC 11801-normen.

Hoe vezelkernen worden vervaardigd: voorvormen om te tekenen

De 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.

Er worden drie reguliere depositietechnieken gebruikt: Gemodificeerde chemische dampafzetting (MCVD) , Buitendampafzetting (OVD) , en Axiale dampafzetting (VAD) . Bij MCVD zijn zeer zuivere gassen (SiCl ₄ , GeCl ₄ ) stroomt in een roterende silicabuis, terwijl een rondlopende brander de zone verwarmt tot ongeveer 1600 °C, waardoor roet laag voor laag wordt afgezet. De germaniumconcentratie in de kern wordt bij elke doorgang gevarieerd om het brekingsindexprofiel rechtstreeks in het glas te schrijven. Na afzetting wordt de buis ingeklapt tot een massieve staaf bij temperaturen rond de 2000 °C.

De 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 . Er wordt onmiddellijk een dubbellaagse UV-uithardende acrylaatcoating aangebracht om het ongerepte glasoppervlak te beschermen.

Verzwakkings- en verliesmechanismen in de kern

Verliezen in de kern zijn het gevolg van absorptie, verstrooiing en buiging. De fundamentele ondergrens is Rayleigh-verstrooiing , veroorzaakt door microscopische dichtheidsschommelingen die tijdens het afkoelen in het glas zijn bevroren. Het Rayleigh-verlies schaalt als λ⁻⁴, wat de reden is dat single-mode systemen migreerden van 1310 nm naar 1550 nm: bij 1550 nm is de Rayleigh-bijdrage ongeveer 0,12 – 0,15 dB/km , ongeveer de helft van de waarde bij 1310 nm.

Infraroodabsorptieranden van Si-O-bindingsvibraties worden merkbaar voorbij 1600 nm, terwijl ultraviolette absorptiestaarten in het infrarood verwaarloosbaar zijn. De absorptie van onzuiverheden – het meest berucht door OH⁻-ionen – creëert een waterpiek nabij 1383 nm. Bij traditionele vezels zou deze piek groter kunnen zijn 3 dB/km , maar moderne ‘laagwaterpiek’-vezels (ITU-T G.652.D) onderdrukken het niveau onder het niveau van 0,35 dB/km, waardoor het gebruik van de E-band (1360-1460 nm) voor grof WDM mogelijk wordt.

Macrobuigingsverlies treedt op wanneer de vezel te strak wordt opgerold; de opsluiting van de kern verzwakt en er straalt licht in de bekleding. Voor een buigongevoelige G.657-vezel kan de toegestane buigradius zo klein zijn als 5 mm met een verwaarloosbaar extra verlies bij 1550 nm, dankzij een geul-ondersteund of verzonken bekledingsindexontwerp rond de kern.

Dispersie en de impact ervan op het kernontwerp

Chromatische spreiding en modale spreiding komen beide voort uit de manier waarop de kerngeometrie en het materiaal omgaan met licht. In een single-mode kern is de chromatische dispersie de som van de materiaaldispersie en de golfgeleiderdispersie. Door de kerndiameter en de indexdelta af te stemmen, kunnen ontwerpers de nul-dispersiegolflengte verschuiven. Standaard G.652-vezels plaatsen de nul op rond 1310 nm , terwijl dispersie-verschoven vezels (G.653) het naar 1550 nm verplaatsen door het effectieve gebied van de kern te verkleinen en het indexprofiel aan te passen. Deze afweging kan de niet-lineaire effecten vergroten, zodat niet-nul-dispersie-verschoven vezels (G.655) een kleine maar niet-nul-dispersie over de C-band behouden om vermenging van vier golven te onderdrukken.

In multimode kernen is modale spreiding de dominante bandbreedtemoordenaar. Een kern met een stapindex van 50 µm vertoont een modale bandbreedte van slechts 20 – 50 MHz·km . Door een geoptimaliseerd parabolisch indexprofiel toe te passen, wordt de bandbreedte vergroot duizenden MHz·km , waardoor transmissie van 100 Gbps over 100 meter met OM4-glasvezel mogelijk is. Elke generatie multimode-vezels verscherpt de toleranties van het indexprofiel om de groepssnelheden in alle modegroepen beter gelijk te maken.

Opkomende kerntechnologieën: holle kern- en multicore-vezels

De next revolution in core design departs from solid glass altogether. Fotonische bandgapvezels met holle kern geleid licht in een met lucht gevuld centraal gebied omgeven door een microgestructureerde bekleding die een fotonische bandgap creëert. Omdat licht zich voornamelijk in de lucht voortbeweegt, daalt de latentie tot 1,5 µs/km – een reductie van 31% ten opzichte van standaardvezels – en de niet-lineariteit keldert. Recent onderzoek rapporteerde een verzwakking van 0,174 dB/km in een holle kernvezel bij 1550 nm, waardoor de kloof met massieve kernrecords wordt verkleind. Dergelijke vezels worden al getest voor financiële handelsnetwerken met ultralage latentie en laserlevering met hoge energie.

Multicore-vezels meerdere onafhankelijke kernen insluiten in een enkele bekleding - meestal 4, 7 of zelfs 19 kernen in een zeshoekige reeks. Elke kern kan een afzonderlijke datastroom transporteren, waardoor de capaciteit van de vezel wordt vermenigvuldigd met het aantal kernen, terwijl de bekledingsdiameter op de standaard 125 µm of iets groter blijft. Transmissie-experimenten overschrijden 1 Petabit/s over één enkele multicore-vezel zijn gedemonstreerd, waarbij elke kern conventionele single-mode werking ondersteunt. De uitdaging blijft bestaan ​​op het gebied van fan-out-apparaten en inter-core overspraakbeheer, maar normalisatie-instellingen zijn al bezig met het definiëren van karakteriseringsmethoden voor multicore-vezels.

Visualisatie van de vezelkern

De 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.

Veelgestelde vragen over de vezelkern

Waarom moet de kern een hogere brekingsindex hebben dan de bekleding?

Totale interne reflectie kan alleen optreden wanneer licht zich verplaatst van een medium met een hogere index naar een medium met een lagere index. Als de kernindex gelijk zou zijn aan of lager zou zijn dan die van de bekleding, zou het licht breken en zou de vezel niet langer geleiden. Het indexverschil creëert een optische barrière die de kern in een cilindrische spiegel verandert.

Waarom is de single-mode kern zo klein?

De 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.

Kan een optische vezel meer dan één kern hebben?

Ja. Multicore-vezels worden ingezet voor multiplexing in de ruimte, waarbij tot 19 onafhankelijke kernen in een standaard bekledingsdiameter worden geïntegreerd. Elke kern werkt als een afzonderlijk single-mode kanaal, waardoor de datacapaciteit van een enkele vezelstreng wordt vermenigvuldigd. Deze technologie is van cruciaal belang voor toekomstige onderzeese kabels van de petabitklasse.

Hoe wordt de kern tijdens de productie zuiver gehouden?

Alle dampafzettingsprocessen maken gebruik van precursorgassen van halfgeleiderkwaliteit die worden gefilterd tot submicronniveaus. De gehele vervaardiging van de voorvormen vindt plaats in een afgesloten, deeltjesvrije omgeving, en het glas wordt rechtstreeks uit damp gesynthetiseerd in plaats van gesmolten uit grondstoffen. Deze aanpak beperkt de verontreiniging van overgangsmetalen tot beneden 1 deel per miljard , wat essentieel is om de verliesvloer van 0,2 dB/km te bereiken.

De 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.