LichtwellenleiterSeit 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
10Base-F Ethernet
Schon früh wurden Glasfasern als Link-Segmente für die Verbindung
zweier Repeater-Komponenten standardisiert (Fiber Optic Inter Repeater Link
- FOIRL). Unter Beachtung der Repeaterregel und des Laufzeitverhaltens
lassen sich so entfernte Segmente untereinander verbinden.
Dieser Standard wurde mittlerweile so erweitert (10Base-F), daß sich
auch Stationen über Glasfasern an Glasfaserrepeater anschließen lassen.
Die Konfiguration entspricht etwa der von 10Base-T. Für die
Verbindung werden sind sogenannte ST-Stecker vorgeschrieben.
Link-Segmente mit FOIRL-Geräten können bis zu 1000 m lang sein und
Segmente mit 10Base-F Geräten bis zu 2000 m.
Maximale Länge von Glasfaserkabeln ohne Verstärkung:
| Typ | Stufenindex | Gradientenindex | Monomode |
|---|
| Dämpfung | 20dB/km bei 900nm | 3dB/km bei 850nm | 0,1dB/km bei 1300nm |
Bitratenlängen-
produkt | 5 MHz * km | 1,5 GHz * km | 250 GHz * km |
max. Länge
(ohne Repeater) | 1 km | 10 km | 50 km |
| 
DIENSTE
