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Lichtwellenleiter

Seit einiger Zeit werden Netzwerkleitungen teilweise als Lichtwellenleiter verlegt. Der zusätzliche Aufwand zum Konvertieren von Strom in Licht und zurück lohnt sich. Der Hauptvorteil liegt in der sehr hohen Übertragungskapazität der durchsichtigen Faser, die bis in den Bereich von GBit/s reicht. Die Datenübertragung via Lichtsignal läßt sich außerdem durch elektrische und elektromagnetische Störungen kaum beeinträchtigen. Dadurch ist das Glasfaserkabel besonders für die Datenübertragung in elektrisch verseuchten Räumen wie zum Beispiel einer Maschinenhalle geeignet. Auch spielt die schon beschriebene Problematik des sich unweigerlich immer weiter verschlechternden Rauschabstandes keine Rolle mehr. Doch ganz so einfach ist die Datenübertrag via Lichtwellenleiter (LWL) auch nicht. Die Eigenschaften des Leiters hängen vom geometrischen Aufbau und den physikalischen Eigenschaften des verwendeten Materials ab. Physikalische Grundlage des LWL ist das Prinzip von Brechung und Reflexion. Allgemein bekannt ist das Brechungsgesetz: Licht wird, wie das Bild zeigt, beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium vom Einfallslot weg gebrochen.

Die Ursache dafür liegt in der sich ändernden Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese hat in jedem Medium einen anderen Wert. In einem optisch dichteren Medium bewegt sich Licht langsamer fort als in einem optisch dünneren. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit c in Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit v in einem anderen Medium ergibt die Brechzahl:

n = c/v

Typische Werte für die Brechzahl sind:
für Glas etwa 1,5,
für Wasser 1,33 und
für das Vakuum 1.

Bei jedem Medienübergang wird ein Teil des Lichts reflektiert je stumpfer der Einfallswinkel, desto stärker die Reflexion. Der Reflexionsgrad hängt vom Unterschied der beiden optischen Dichten und vom Einfallswinkel ab. Erreicht der Einfallswinkel einen kritischen Wert, gelangt überhaupt kein Licht aus dem Medium mit der höheren Brechzahl heraus. Auf dieser Totalreflexion beruht das Prinzip des Lichtwellenleiters. Die Aufgabe des Leiters besteht ja darin, das Licht verlustlos und ohne Impulsverformung über lange Strecken zu transportieren. Da sich Licht aber nach allen Seiten ausbreitet, muß man einen Käfig bauen, der das Licht im Leiter hält. Denn bei jeder Biegung des Kabels würde sonst nur ein Bruchteil des ursprünglichen Lichts im Kabel verbleiben und eine längere Übertragungsstrecke wäre völlig unmöglich. Deshalb konstruiert man den Lichtwellenleiter als optische Röhre. Im Innern der Röhre kann sich das Licht ungehindert fortpflanzen und an den Wänden wird es total reflektiert. So wird der Lichtstrahl gezwungen, sich innerhalb der Faser fortzubewegen.

Der LWL mit dem einfachsten Aufbau besteht aus einem konzentrischen optischen Kern mit einer hohen Brechzahl n1, der mit einem optischen Mantel kleinerer Brechzahl n2 versehen ist. Licht, das in einem gewissen Winkelbereich in den LWL eintritt, wird durch fortlaufende Totalreflexion an der Grenze Kern/Mantel weiterbefördert.

Neben dem reinen Transport ist die Verformung, die die Lichtimpulse während der Leitung erleiden, von Bedeutung. Sehen Sie sich dazu das Einspeisen des Lichts in den LWL etwas genauer an: Trifft das Licht in einem Winkel nahe dem maximalen Einfallswinkel für den Lichtleiter auf, wird es sehr oft im LWL reflektiert. Es heißt dann Licht hohen Modes. Entsprechend heißt Licht, welches in relativ guter Übereinstimmung mit der optischen Achse des LWL eintrifft, Licht niedrigen Modes. Licht hohen Modes legt insgesamt einen längeren Weg im Kabel zurück und benötigt dadurch mehr Zeit für den Durchlauf. Fällt nun Licht mit nicht genau definiertem Winkel in den LWL ein, kommt es bis zum Ausgang wegen der unterschiedlichen Laufzeiten für jeden Einfallswinkel zu einer Dehnung des Lichtimpulses. Dieser unschöne Effekt, die Dispersion, verbreitert die Signalimpulse und beschränkt damit die erreichbare Übertragungsrate.

Abhilfe schafft ein nach außen hin stetig abnehmender Brechungsindex. Dadurch gleichen sich die Geschwindigkeiten und Laufzeiten für die verschiedenen Einfallswinkel bei genügender Kabellänge wieder aus. Wegen des stetigen Übergangs von Kern zu Mantel werden diese Leiter Gradientenprofilfasern genannt. Es ergibt sich beim Einfall der unterschiedlichen Lichtwellen trozt unterschiedlich langer Wege in der Faser eine nahezu gleiche Laufzeit aller Wellen.
Eine noch geringere Dispersion liefern die Monomode-Fasern. Im Gegensatz zu den Multimode-Fasern leiten sie nur Licht einer bestimmten Wellenlänge. Ihr Kerndurchmesser ist so klein, daß sich das Licht fast nur noch entlang der Längsachse ausbreiten kann. Mit diesen Monomode-Fasern sind also die steilsten Flanken und damit die größten Übertragungsraten zu erzielen.

  • Multimode-Stufenindex-Faser

  • Multimode-Gradienten-Faser

  • Monomode-Stufenindex-Faser

Als Sender für die LWL-Übertragung stehen Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden (LD) zur Verfügung. dabei werden LEDs am besten im Bereich von 850/860 nm eingesetzt und LDs im Bereich von 1300 nm.

  LED LD
Licht-Typ inkohärent kohärent
Wellenlänge 850/860 nm und 1300 nm 1300 nm
Spektralbreite 30 - 40 nm 1 - 3 nm
Abstrahlwinkel mittel bis hoch gering
einkoppelbare
Leistung
gering hoch
Lebensdauer 106 Stunden 105 Stunden

Die unten stehende Abbildung zeigt die Zusammenhänge von Faserart und Sendertyp im Hinblick auf das Einsatzgebiet bezüglich Übertragungsstrecke und Übertragungsrate.

Die optischen Sender und Empfänger (meist Laserdioden) müssen genau auf die Faser abgestimmt sein, um verlustarm und reflexionsfrei übertragen zu können. Ein großes technisches Problem beim Verlegen von LWL ist immer noch der Übergang von einem Leiterstück auf ein anderes, das sogenannte 'Spleißen'. Im Gegensatz zum elektrischen Leiter, bei dem eine Klemm- oder Lötverbindung ohne große Sorgfalt genügt, müssen die Glasfasern genau in der optischen Achse plan miteinander verschweißt werden. Unter Laborbedingungen stellt das natürlich längst kein Problem mehr dar, aber im mobilen Einsatz sieht das schon etwas anders aus.

Beim sogenannten 'Spleißen' von Glasfaserkabeln gibt es zahlreiche Fehlermöglichkeiten. Das beginnt nach dem Entfernen des Sekundärschutzes mit mangelhaftem Reinigen der Faser. Weitere Fehlermöglichkeiten sind zu sparsame Verwendung des Leims zum Verkleben der Faser im Kontaktkörper oder zu wenig Sorgfalt beim anschließenden Schleifen der Kontaktfläche. Das beste 'Meßinstrument' ist hier eine Lupe mit mindestens 10-facher Vergrößerung. Man leitet sichtbares Licht in die Faser und prüft die Fläche auf Verunreinigungen oder Kratzer. Zum Reinigen der Kontaktfläche verwendet man nicht-denaturierten reinen Alkohol.

Der Siegeszug der Glasfaser im Bereich der Kommunikationstechnik ist nicht aufzuhalten. Die Anwendungen in der Computertechnik verlangen immer schnellere Verbindungen zwischen Computern und auch anderen Geräten. Diese Forderung kann langfristig nur die Glasfaser erfüllen.

Weitere Vorteile sind:

  • keine EMV-Problematik
  • kleinere Kabeldurchmesser
  • nur 2 Fasern pro Verbindung
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