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Modelling and simulation of light propagation in non-aged and aged step-index polymer optical fibres

  • This thesis discusses theoretical and practical aspects of modelling of light propagation in non-aged and aged step-index polymer optical fibres (POFs). Special attention has been paid in describing optical characteristics of non-ideal fibres, scattering and attenuation, and in combining application-oriented and theoretical approaches. The precedence has been given to practical issues, but much effort has been also spent on the theoretical analysis of basic mechanisms governing light propagation in cylindrical waveguides. As a result a practically usable general POF model based on the raytracing approach has been developed and implemented. A systematic numerical optimisation of its parameters has been performed to obtain the best fit between simulated and measured optical characteristics of numerous non-aged and aged fibre samples. The model was verified by providing good agreement, especially for the non-aged fibres. The relations found between aging time and optimal values of modelThis thesis discusses theoretical and practical aspects of modelling of light propagation in non-aged and aged step-index polymer optical fibres (POFs). Special attention has been paid in describing optical characteristics of non-ideal fibres, scattering and attenuation, and in combining application-oriented and theoretical approaches. The precedence has been given to practical issues, but much effort has been also spent on the theoretical analysis of basic mechanisms governing light propagation in cylindrical waveguides. As a result a practically usable general POF model based on the raytracing approach has been developed and implemented. A systematic numerical optimisation of its parameters has been performed to obtain the best fit between simulated and measured optical characteristics of numerous non-aged and aged fibre samples. The model was verified by providing good agreement, especially for the non-aged fibres. The relations found between aging time and optimal values of model parameters contribute to a better understanding of the aging mechanisms of POFs.zeige mehrzeige weniger
  • Kunststofflichtwellenleiter (POFs) stellen ein verhältnismäßig neues Medium zur optische Datenkommunikation über kurzen Strecken dar (bis zu einigen hundert Metern). Sie arbeiten im sichtbaren Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums und werden auch für Beleuchtung und für Sensor-Anwendungen verwendet. Während ihrer Einsatzdauer unterliegen POFs unterschiedlichen Arten von Umweltbeanspruchungen, hauptsächlich durch hohe Temperatur, hohe Feuchtigkeit und mechanischen Belastungen. Zahlreiche experimentelle Forschungen beschäftigten sich mit der standardisierten Prüfung der Zuverlässigkeit von im Handel erhältlichen Fasern. Jedoch gab es bisher wenig Erfolg bei der Bemühung, zwei grundlegende optische Erscheinungen, Absorption und Streuung, die die Lichtausbreitung in Fasern stark beeinflussen, zu verstehen und praktisch zu modellieren: Diese beiden Effekte beschreiben nicht nur die Qualität neuer Fasern, sondern sie werden auch stark durch die Alterungsprozess beeinflusst.Kunststofflichtwellenleiter (POFs) stellen ein verhältnismäßig neues Medium zur optische Datenkommunikation über kurzen Strecken dar (bis zu einigen hundert Metern). Sie arbeiten im sichtbaren Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums und werden auch für Beleuchtung und für Sensor-Anwendungen verwendet. Während ihrer Einsatzdauer unterliegen POFs unterschiedlichen Arten von Umweltbeanspruchungen, hauptsächlich durch hohe Temperatur, hohe Feuchtigkeit und mechanischen Belastungen. Zahlreiche experimentelle Forschungen beschäftigten sich mit der standardisierten Prüfung der Zuverlässigkeit von im Handel erhältlichen Fasern. Jedoch gab es bisher wenig Erfolg bei der Bemühung, zwei grundlegende optische Erscheinungen, Absorption und Streuung, die die Lichtausbreitung in Fasern stark beeinflussen, zu verstehen und praktisch zu modellieren: Diese beiden Effekte beschreiben nicht nur die Qualität neuer Fasern, sondern sie werden auch stark durch die Alterungsprozess beeinflusst. Der Hauptzweck dieser Doktorarbeit war es, ein praktisch verwendbares und theoretisch gut fundiertes Modell der Lichtausbreitung in nicht gealterten und gealterten POFs zu entwickeln und es durch optische Experimente zu verifizieren. Dabei wurden anwendungsorientierte Aspekte mit theoretischer POF-Modellierung kombiniert. Die Arbeit enthält die erste bekannte Anwendung der Wellenanalyse zur Untersuchung der winkelabhängigen Eigenschaften der Streuung. Die Resultate der numerischen Beispiele stimmen mit den experimentell beobachteten Ergebnissen überein. Der Gebrauch der Wellenoptik war erforderlich, weil die vereinfachende Anwendung der geometrischen Optik zu einer den experimentellen Ergebnissen widersprechenden Winkelabhängigkeit führt. Die Resultate der Wellenanalyse wurden außerdem dazu verwendet, ein generelles POF-Modell zu entwickeln, das auf dem Strahlverfolgungsverfahren basiert. Für die praktischen Experimente wurden mehrere POF-Proben unterschiedlicher Hersteller künstlich gealtert, indem sie bis 4500 Stunden bei 100 °C gelagert wurden (ohne Feuchtekontrolle). Die Parameter der jeweiligen Simulationen wurden mittels einer systematischen Optimierung an die gemessen optischen Eigenschaften der gealterten Proben angeglichen. Die erreichte Übereinstimmung ist besser als in bisher vorliegenden Untersuchungen und bestätigt die Verwendbarkeit des Modells. Die Resultate deuten an, dass der Übertragungsverlust der gealterten Fasern in den ersten Tagen und Wochen der Alterung am stärksten durch eine wesentliche physikalische Verschlechterung der Kern-Mantel-Grenzfläche verursacht wird. Chemische Effekte des Alterungsprozesses scheinen im Faserkernmaterial zuerst nach einigen Monaten aufzutreten. Als Nebeneffekt dieser Arbeit wurde ein Kalibrierung- und Qualitätseinschätzungsverfahren für CCD-Kameras entwickelt.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Lukasz Jankowski
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (6)
Sprache:Englisch
Jahr der Erstveröffentlichung:2005
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Herausgeber (Institution):Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Gutachter*innen:Markus Klein, Werner Daum, Olaf Ziemann
Datum der Abschlussprüfung:29.10.2004
Verlag:Wirtschaftsverlag NW
Verlagsort:Bremerhaven
Jahrgang/Band:6
Erste Seite:1
Letzte Seite:137
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Physik
Freie Schlagwörter:modelling light; optical fibres; propagation; scattering; waveguide
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-1520
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-86509-272-1
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:23.01.2015
Referierte Publikation:Nein
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