Fiber Fuse Effect

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Der Faserbrand (engl.: Fiber Fuse Effect) ist eine Zerstörung innerhalb eines Lichtwellenleiters, der durch hohe lokale Energiedichten verursacht wird.

Grundlagen

Durch die Einführung des Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM), durch leistungsfähigere EDFAs, stärkere (externe) Pumplaser, Einsatz von Raman Verstärkern hat die optische Leistung an manchen Punkten in optischen Kommunikationsnetze in den letzten Jahren stark zugenommen. Die erhöhte optische Leistung die folgenden Effekte:

• Nichtlineare Fasereffekten (Self-phase Modulation, Crossphase Modulation, Stimulierte Brillouin-Streuung oder die Vierwellenmischung), die im allgemeinen zur Verringerung der Übertragungsqualität führen, aber voll reversibel sind, wenn die Leistung reduziert wird. Die nichtlinearen Effekte führen nicht zu einer dauerhaften Beschädigung der Glasfaser.
• Irreversiblen Zerstörung der Glasfaser oder der optischen Stecker.

Eine Form der irreversiblen Schäden durch zu hohe optische (Summen-)leistung ist der Faserbrand.

Auftretende Probleme

Folgende irreversiblen Schäden sind möglich:

1. Eventuelle Schäden an Faserverbindungsflächen, falls diese verschmutzt sind
2. Beschädigung des Faserkerns über eine weite Distanz durch Selbstentzündung, den so genannten "Fiber Fuse Effekt"
3. Schäden am Faserkern durch Biegen oder starkes Erwärmen: Hierbei kann es zu einer erhöhten Leistungsabsorption kommen und im schlimmsten Fall ein Faserbrand, auch "Fiber Fuse" genannt, beginnen.
4. Gefahren für die Sicherheit des menschlichen Körpers durch eventuelle Schäden im optischen Fasernetzwerk (austretende Lichtleistung)^[1]

Die irreversible Zerstörung des Faserkerns durch den so genannten "Fiber Fuse Effekt" bekam ihren Namen durch die Analogie mit einer Zündschnur, deren brennendes Ende sich auf die Strahlquelle (meist ein Laser) zubewegt.

Entdeckt wurde dieses Phänomen erstmals 1987 von Kashyap et al.^[2], der damals einen extrem schnellen Anstieg des Absorptionskoeffizienten bei relativ geringen optischen Leistungen von ca. 1 Watt oberhalb einer kritischen Temperaturschwelle Tkrit von 1323 K bei Glasfasern feststellte. Der Absorptionskoeffizient liegt unterhalb der Temperaturgrenze Tkrit bei ca. 0,01 dB / km und steigt bei einer Temperatur von Tkrit + 50 K bereits auf Werte von ca. 1900 dB / km. Dies wurde für eine Wellenlänge von 1064 nm nachgewiesen.^[2] Die hierbei auftretenden Leistungsdichten lagen bei ca. 1–3 MW / cm², was weit unter der Zerstörungsschwelle von Siliziumoxid von etwa 10 GW / cmcm² liegt.^[2]

Erklärungen für das Auftreten des Phänomens

Im Laufe der Zeit wurden drei wissenschaftlich fundierte Theorien aufgestellt, woraus der schnelle Anstieg des Absorptionskoeffizienten resultieren könnte. Dies sind folgende Vermutungen:

1. Die Bildung von Punkt (Frenkel)-Defekten an den Germanium Zentren einer dotierten Faser: Jedoch sind die Germanium Atome nach heutigen Erkenntnissen nicht alleine für das Auftreten des Fiber Fuse Effekts verantwortlich, da dieser auch in Fasern auftritt, die nicht mit Germanium sondern mit anderen Dotierstoffen versetzt sind.^[3]
2. Eine elektronische Leitfähigkeit der Faser aufgrund thermischer Ionisation des germaniumdotierten Kerns: Der Verlauf des Absorptionskoeffizienten bei Temperaturen unter 1873 K konnte durch die Arrhenius-Gleichung gut erklärt werden, jedoch nicht das Verhalten der Glasfaser bei Temperaturen um 2293 K, da ab dieser Temperatur ein stark abweichendes Verhalten vorliegt. Diese Vermutung bezieht sich nur auf Fasern, die mit Germanium versetzt sind. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt die chemische Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur.
3. Eine thermochemische SiO Produktion im Silizium-Glas: Wenn sich verdampftes Siliziumoxid wieder auf der Faser niederschlägt und erkaltet, kann es verschiedene Färbungen von braun bis schwarz annehmen. An diesen findet eine starke Absorption statt. Dies stimmt mit experimentellen Beobachtungen beim Fiber Fuse Effekt sehr gut überein.^[4]

Der Fiber Fuse Effekt wird im Faserkern initiiert, und wirkt sich während des Effekts auf den Mantel der Faser aus. Der Faserkern wird durch hohe Temperaturen geschmolzen, geht durch verdampfen in einen plasmaartigen Zustand über und lässt dabei einen Hohlraum zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich vielfach in Richtung Laserquelle und emittiert dabei jedes Mal ein weiß-blaues Licht, das sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,3–3 m/s, abhängig von Faserart, optischer Leistung und Wellenlänge fortbewegt.

Die entstehenden Blasen (Hohlräume) sind vermutlich das Resultat einer Rayleigh-Taylor-Instabilität, verursacht durch haarfeine Risse im geschmolzenen Silizium, das den Kern umgibt. Diese Instabilität kann auftreten, wenn zwei unterschiedliche Dichten an einer Grenzfläche aneinanderstoßen. Ist die verbindende Oberfläche ideal glatt, so existiert ein labiler Gleichgewichtszustand wenn die Schichten in den flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand übergehen. Tritt nun eine Störung an dieser Grenzschicht auf, so wächst diese exponentiell an, der Gleichgewichtszustand ist nicht mehr vorhanden und die Medien vermischen sich. Dies wird z.B. durch thermische Effekte ausgelöst.^[5]

Weiterhin wurde durch Ramanspektroskopie festgestellt, dass bei der Blasenentstehung während des Fiber Fuse Prozesses Sauerstoff freigesetzt wird. Daher kann der umgebende Fasermantel als porös (luftdurchlässig) angesehen werden. Ansonsten würde der Kern platzen, da der gasförmige Zustand eines Stoffes mehr Volumen benötigt als die gleiche Anzahl von Atomen im gebundenen Zustand.^[6]

Rückstreuungsmessungen haben ergeben, dass die hier entstehende Lichtquelle eine Temperatur von ca. 5400 K besitzt und durch die Abstrahlcharakteristik mit einem schwarzen Körper ähnlicher Temperatur vergleichbar ist.^[6]

Der Fiber Fuse Effekt ist nach Dianov et al.^[7] eine optische Entladung, also ein extrem dichtes Plasma. Bei dem Effekt wird der plasmaartige Faserkern durch hohe Temperaturen und hohen Druck (10000 K und 10000 atm) durch die Blasenbildung zerstört.

Damit der Prozess beginnt, bedarf es eines externen Triggers als auslösendes Moment. Dies kann durch folgende Effekte initiiert werden:

1. scharfen Knick der Faser
2. Kontakt der Faserendfläche mit absorbierenden Materialien
3. Schmutz und Staub in Fasersteckern -Kopplern
4. elektrischer Entladungsvorgang über der Faser (Durchbruch der Feldstärke)

Jede Glasfaser besitzt abhängig von Wellenlänge und Dotierungsstoffen eine Leistungsschwelle, über der es möglich ist, dass der Fiber Fuse Effekt auftritt.

Ebenso beeinflusst der dazugehörige Modenfelddurchmesser das Auftreten des Fiber Fuse Phänomens. Je kleiner dieser ist, desto größere Lichtintensitäten sind im Kern vorhanden. Folglich werden geringere Pumpleistungen benötigt, um den Effekt zu initiieren.

Quellen

1. ↑ K. Seo, N. Nishimura, M. Shiino: Evaluation of High-power Endurance in Optical Fiber Links, Furukawa Review, No. 24, pp. 17–22, 2003
2. ↑ ^{a b c} R. Kashyap, K. J. Blow: Observation of catastrophic self-propelled self-focussing in optical fibers, Electron Letters, Vol. 24 No. 1, pp. 47–49, 1988
3. ↑ Y. Shuto, S. Yanagi, S. Asakawa: Simulation of Fiber Fuse Phenomenon in Single-Mode Optical Fibers, Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No. 11, pp. 2511–2517, 2003
4. ↑ Y. Shuto, S. Yanagi, S. Asakawa, M. Kobayashi, R. Nagase: Evaluation of High-Temperature Absorption Coefficients of Optical Fibers, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 16, No. 4, pp. 1008–1010, 2004
5. ↑ Steffen Brinkmann: MHD-Instabilitäten in Akkretionsscheiben, Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg, Fakultät für Physik und Astronomie, Diplomarbeit, März 2004
6. ↑ ^{a b} D. P. Hand, P. St. Russell: Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers: the fiber fuse, Optics Letters, Vol. 13, No. 9, pp. 767–769, 1988
7. ↑ E. M. Dianov, I. A. Bufetov, A. A. Frolov: Destruction of silica fiber cladding by the fuse effect, Optics Letters, Vol. 29, No. 16, pp. 1852–1854, 2004