Lichtwellenleiter (LWL / Glasfaser)
Lichtwellenleiter, kurz LWL genannt, übertragen Daten in Form von Licht bzw. Lichtsignalen über weite Strecken. Während elektrischen Signale in Kupferleitungen als Elektronen von einem zum anderen Ende wandern, übernehmen in Lichtwellenleitern (LWL) die Photonen (Lichtteilchen) diese Aufgabe.
Durch Lichtwellenleiter können optische Signale ohne Verstärker große Entfernungen überbrücken. Trotz weiter Strecken ist eine hohe Bandbreite möglich. Die Bandbreite auf einer einzigen Glasfaser beträgt rund 60 THz. Das macht Lichtwellenleiter zum Übertragungsmedium der Gegenwart und Zukunft. Da reicht kein Kupferkabel oder Funksystem heran.
Glasfaser und Lichtwellenleiter
Die Glasfaser ist ein Lichtwellenleiter (LWL), dessen Fasern aus dem Grundstoff Glas bestehen. Er wird häufig mit dem Begriff Lichtwellenleiter verwechselt. Lichtwellenleiter ist der Oberbegriff für alle Licht-leitenden Leitungen, worunter auch die Glasfaser fällt. Lichtwellenleiter gibt es als Glas-, Quarz- oder Kunststofffaser.
Prinzip eines Übertragungssystems auf Basis eines Lichtwellenleiters
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sender oder Quelle | Analog- Digital- Wandler | Treiber- Stufe | Leucht- diode | Licht- wellen- leiter | Foto- Trs. | Digital- Analog- Wandler | Treiber- Stufe | Empfänger |
Abhängig von der Datenform, findet zuerst eine Analog-Digital-Wandlung statt. In der Regel liegen die Daten als elektrische Signale vor, die dann noch durch eine Treiberstufe verstärkt werden. Vor der Übertragung müssen die elektrischen Signale in optische Signale umgewandelt werden. Dazu dienen spezielle Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden als Lichterzeuger. Das Licht wird direkt in den Lichtwellenleiter eingespeist. Am Ende der Übertragung werden die Lichtimpulse wieder in elektrische Signale umgewandelt. Ein Fotoelement, zum Beispiel ein Fototransistor, erzeugt aus dem Licht elektrische Impulse. Dann findet noch eine Digital-Analog-Wandlung statt, wenn die Daten in analoger Form und verstärkt an den Empfänger übergeben werden müssen.
Telekommunikationsnetze mit Lichtwellenleiter
Um in Telekommunikationsnetzen hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, setzt man in der Regel auf optische Verbindungen zwischen den Knoten. In den Schaltzentralen und Vermittlungsstellen werden die übertragenen Lichtsignale meistens in elektrische Signale umgewandelt, ausgewertet und weiterverarbeitet. Zur weiteren Übertragung werden sie dann wieder in Lichtsignale umgewandelt. An dieser Stelle werden die Nachteile optischer Übertragungssysteme sichtbar. Zur Verarbeitung müssen optische Signale erst in elektrische Signale umgewandelt werden.
Aufbau des Lichtwellenleiters
Lichtwellenleiter (LWL) aus Kunststoff haben einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Sie sind äußerst flexibel und empfindlich.
Der Faserkern (Kernglas) ist der zentrale Bereich eines Lichtwellenleiters, der zur Wellenführung des Lichts dient. Der Kern besteht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als der darrüberliegende Mantel. An den Wänden im Innern des Lichtwellenleiters findet eine Reflexion statt, so dass der Lichtstrahl nahezu verlustfrei um jede Ecke geleitet wird. Das Mantelglas ist das optisch transparente Material eines Lichtwellenleiters an dem die Reflexion stattfindet. Das Mantelglas oder auch Cladding genannt ist ein dielektrisches Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern. Das dielektrische Material ist nichtmetallisch und nichtleitend. Es enthält also keine metallischen Anteile.
Das Coating ist die Kunststoffbeschichtung, die als mechanischen Schutz auf der Oberfläche des Mantelglases aufgebracht ist.
Buffering nennt man das Schutzmaterial, das auf dem Coating aufextrudiert ist. Es schützt das Kabel vor Umwelteinflüssen. Buffering gibt es auch als Röhrchen, dass die Faser vor Stress im Kabel isoliert, wenn das Kabel bewegt wird.
Vorteile der Lichtwellenleiter gegenüber Kupferkabel
- Lichtwellenleiter können beliebig mit anderen Versorgungsleitungen parallel verlegt werden. Es gibt keine elektromagnetischen Störeinflüsse.
- Wegen der optischen Übertragung existieren keine Störstrahlungen oder Masseprobleme.
- Entfernungsbedingte Verluste des Signals wegen Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen treten nicht auf.
- Nahezu Frequenz-unabhängige Leitungsdämpfung der Signale.
- Übertragungsraten sind durch mehrere Trägerwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Farbspektrum) fast unbegrenzt erweiterbar.
Allerdings sind Lichtwellenleiter teurer als Kupferleitungen. Die Kosten für Material und der Aufwand für die Montage sind höher. Dafür haben Lichtwellenleiter eine erheblich geringere Dämpfung und eignen sich somit für weite Strecken.
Fachbegriffe
Brechungsindex
Der Brechungsindex ist der Faktor, um den die Lichtgeschwindigkeit in optischen Medien kleiner ist, als im Vakuum.
Moden
Moden sind die verschiedenen Wege, dem die Photonen des Lichts entlang der Faser folgen können. Multimode-Fasern können viele Moden unterstützen.
Spleiß
Der Spleiß ist die dauerhafte Verbindung zwischen zwei Glasfasern.
Um eine Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern herzustellen, müssen die beiden Enden verschmelzt (Schmelzspleiß) oder verklebt (Klebespleiß) werden.
Einfügedämpfung
Das Einfügen eines optischen Bauelements erzeugt eine Dämpfung des Signals. Das nennt man Einfügedämpfung.
Dispersion
Dispersion beschreibt den Effekt, dass der eingespeiste Impuls über den Ausbreitungsweg zeitlich ausgeweitet wird. Der Impuls wird breiter. Dadurch kann es zu Überlappungen mit den vorangegangenen und nachfolgenden Impulsen kommen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann es zu Übertragungsfehlern kommen.
Um den Impuls so weit wie möglich impulsartig zu bekommen, werden keine normalen LEDs für die Lichtimpulserzeugung verwendet, sondern Laserdioden, die einen Impuls mit spektraler Breite von wenigen Nanometer erzeugen können.
LED- und Laser-Lichteinkopplung
Eine Multimode-Faser hat mehrere Moden. Bei der LED-Lichteinkopplung werden alle Moden einer Faser angeregt. LEDs füllen den gesamten Faserkern aus. Man spricht von einer Vollanregung.
Die übertragbare Datenrate mit LED-Transceivern ist auf 622 MBit/s begrenzt. Wegen ihrer charakteristischen Schalthysterese ergibt sich die Trägheit für die Sende-LED. Bei Gigabit Ethernet (GbE) oder 10 Gigabit Ethernet (10 GbE) reicht ein LED-Transceiver nicht aus. Statt dessen verwendet man Laser zur Lichteinkopplung. Im Gegensatz zu LEDs regen Laser nur eine bestimmte Anzahl von Moden an. Speziell für Lichtwellenleiter wurden VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) entwickelt und von allen namhaften Hersteller verwendet. VCSELs sprechen bei der Lichteinkopplung nur wenige Moden an und haben eine Wellenlänge von 850 nm.
VCSEL-Laser haben gegenüber LEDs mehrere Vorteile:
- niedrigere Dämpfung bei der Signaleinkopplung
- höhere Übertragungsleistung
- größere Übertragungsentfernung
- längere Betriebsdauer
Allerdings entstehen bei der Laser-Lichteinkopplung in herkömmliche Multimodefasern häufig Störungen in Form der Centerline Dips. Der Centerline Dip ist eine Kerbe im Brechzahlprofil im Faserzentrum. Weitere Störungen können Abflachungen (Flat Tops) und Spitzen (Peaks) im Brechzahlprofil sein.
Das Lasersignal bringt einen großen Teil der Gesamtleistung auf das Faserzentrum. Dadurch entsteht eine Verformung des idealen Übertragungssignals. Die Folge ist eine höhere Bitfehlerrate und die daraus folgende schlechte Nettodatenrate und ein Ausfall der Übertragung.
Beim Einsatz von Komponenten mit Laser-Lichteinkopplung sind zwingend Laser-optimierte Lichtleiter zu verwenden.
Übersicht: Lichtwellenleiter
| Kabeltyp | Durchmesser (Kern / Gesamt) | Bandbreite (1 km) | Anwendung |
|---|---|---|---|
| Multimode mit Stufenprofil | 100 bis 400 µm / 200 bis 500 µm | 100 MHz | Entfernungen unter 1 km |
| Multimode mit Gradientenprofil | 50 µm / 125 µm | 1 GHz | LAN, Backbone, ATM (655 MHz) in Europa |
| 62,5 µm / 125 µm | 1 GHz | LAN, Backbone, ATM (655 MHz) in den USA | |
| Monomode (Singlemode) mit Stufenprofil | 9 µm / 125 µm | 100 GHz | Netzbetreiber |
Multimodefaser mit Stufenindexprofil
Multimodefasern mit Stufenprofil haben einen Gesamtdurchmesser von 200 bis 500 µm. Durch sie werden mehrere Lichtwellen gleichzeitig geschickt. An den Wänden der Faser wird das Signal hart reflektiert. Die Brechzahl fällt zwischen Kern und Mantel scharf ab. Das Ausgangssignal wird dadurch schlechter. Sie werden z. B. als Verbindungskabel im Patchschrank verwendet.
Multimodefaser mit Gradientenindexprofil
Multimodefasern mit Gradientenprofil haben einen Gesamtdurchmesser von 125 µm. Durch sie werden mehrere Lichtwellen gleichzeitig geschickt. An den Wänden der Faser wird das Signal weich reflektiert. Die Brechzahl des Kerns nimmt meist parabelförmig zum Mantel ab. Das Ausgangssignal ist noch sehr gut. Sie werden für Verbindungen von Gebäuden oder Etagen eingesetzt.
Monomodefaser / Singlemodefaser
Singlemodefasern oder Monomodefasern haben einen Gesamtdurchmesser von 125 µm. Durch sie werden die Lichtwellen gerade hindurchgeleitet. Sie werden für weite Strecken eingesetzt. Der Kerndurchmesser einer Singlemodefaser ist gegenüber der Wellenlänge des Lichts so klein, dass sich nur ein Modus (Moden) ausbreiten kann. Singlemodefasern erfordern den Einsatz sehr teurer Laser, was zu hohen Kosten beim Equipment führt.
Singlemode-Fasern sind für Stadt- und Zugangsnetze optimiert. Die Anforderungen an diese Lichtwellenleiter sind hoch. Neben leicht zu verarbeitende Fasern, sind Breitband-Leistungsfähigkeit für flexibles Netzwerk-Design erwünscht. Der Lichtwellenleiter muss für kommende Technologien und Architekturen in der Netzwerkinfrastruktur gerüstet sein. Es gibt folgende Standards:
- ITU-T G.652
- IEC 60793-2-50 Typ B1.3
- TIA/EIA 492-CAAB
- Telcordia GR-20
Laser-optimierte Multimodefasern
| Fasertypen | Fast Ethernet | Gigabit Ethernet | 10 Gigabit Ethernet | 40 Gigabit Ethernet | 100 Gigabit Ethernet |
|---|---|---|---|---|---|
| OM1 Faser (62,5/125 µm) | 2.000 m (FX) | 275 m (SX) | 33 m (SR) | nicht spezifiziert | nicht spezifiziert |
| OM2 Faser (50/125 µm) | 2.000 m (FX) | 550 m (SX) | 82 m (SR) | nicht spezifiziert | nicht spezifiziert |
| OM3 Faser (50/125 µm) | 2.000 m (FX) | 550 m (SX) | 300 m (SR) | 100 m (SR4) | 100 m (SR10) |
| OM4 Faser (50/125 µm) | 2.000 m (FX) | 1.000 m (SX) | 550 m (SR) | 150 m (SR4) | 150 m (SR10) |
Farbcode der Bündel bzw. Fasern
Es gibt den Farbcode von Telcordia (ehemals Bellcore) und der Deutschen Telekom. Beide werden zur Festlegung der Fasern-Reihenfolge verwendet.
| Farbcode (Bündel-/Fasernfarbe) | ||
|---|---|---|
| Nr. | Deutsche Telekom | Telcordia |
| 1. | Rot | Blau |
| 2. | Grün | Orange |
| 3. | Blau | Grün |
| 4. | Gelb | Braun |
| 5. | Weiß | Grau |
| 6. | Grau | Weiß |
| 7. | Braun | Rot |
| 8. | Violett | Schwarz |
| 9. | Türkis | Gelb |
| 10. | Schwarz | Violett |
| 11. | Orange | Rosa |
| 12. | Rosa | Türkis |