Meridionalstrahl

Ein Meridionalstrahl ist ein Lichtstrahl, der sich durch eine Lichtwellenleiter ausbreitet und dabei die zentrale Achse des Faserkerns durchquert. Im Unterschied zu Skewstrahlen, die spiralförmig um den Kern verlaufen ohne die Achse zu kreuzen, durchschneiden Meridionalstrahlen sie wiederholt bei ihren Reflexionen an der Kern-Mantel-Grenzfläche. Diese Achsendurchquerung macht sie vorhersagbar und mathematisch einfacher zu analysieren, weshalb sie als Standardreferenzfall in der Faseroptik dienen.

In einer Stufenindexfaser mit einem Kerndurchmesser von 50 Mikrometern und einer numerischen Apertur (NA) von 0,2 treten Meridionalstrahlen in Winkeln innerhalb des Akzeptanzkegels der Faser ein und folgen ebenen Pfaden, die die Faserachse enthalten. Sie erfahren Totalreflexion bei Einfallswinkeln größer als dem kritischen Winkel, bestimmt durch den Brechungsindexunterschied zwischen Kern (typisch 1,48) und Mantel (typisch 1,46). Jede Reflexion lenkt den Strahl zurück zur Achse und dann wieder weg, wobei in der Querschnittsansicht ein Zickzackmuster entsteht.

Meridionalstrahlen versus Skewstrahlen

Skewstrahlen schneiden die Achse nie und folgen helikalen Pfaden mit höheren Modenzahlen, typischerweise über längere Distanzen in Mehrmodenfasern Leistung transportierend. Meridionalstrahlen lassen sich einfacher verfolgen, stellen aber nur eine Teilmenge aller ausbreitungsfähigen Moden dar. In Einmodenfasern, die bei 1310 nm oder 1550 nm betrieben werden, ist diese Unterscheidung weniger relevant, da nur eine Grundmode (LP01) vorhanden ist. In Mehrmodenfasern mit hunderten von Moden koexistieren beide Strahlenfamilien und müssen bei der Berechnung von Verlust, Dispersion und Bandbreite berücksichtigt werden.

Der Begriff stammt aus seinem geometrischen Ursprung: Meridional bezieht sich auf einen Großkreis oder eine Ebene, die durch beide Pole einer Kugel verläuft, analog zur Ebene, die die Faserachse und den Strahlenverlauf enthält. Ingenieure nutzen Meridionalstrahlmodelle, um die Grundleistung zu ermitteln und modusabhängige Verluste zu identifizieren, bei denen verschiedene Strahlenfamilien durch Unreinheiten im Kern oder Faserkrümmungen unterschiedliche Dämpfung erfahren. Das Verständnis des Meridionalstrahverhaltens ist wesentlich beim Entwerfen von Einkopplungsbedingungen, bei der Modellierung der Kopplungseffizienz und bei der Vorhersage von Modalrauschen in kohärenten Systemen.