Folge uns

Folge uns auf Facebook Folge uns auf Twitter Folge uns auf Google Abonniere unseren RSS-Feed Abonniere unseren Newsletter

Das Buch zu dieser Webseite

KommunikationstechnikFibel

Die Kommunikationstechnik-Fibel

Käufer der Kommunikationstechnik-Fibel Kundenmeinung:
Die Kommunikationstechnik-Fibel ist sehr informativ und verständlich. Genau das habe ich schon seit langem gesucht. Endlich mal ein Buch, das kurz und bündig die moderne Informationstechnik beleuchtet.

Kommunikationstechnik-Fibel
jetzt bestellen!

 

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist im iBookstore erhältlich

Die Kommunikationstechnik-Fibel für Amazon Kindle erhältlich

Kommunikationstechnik-Fibel als eBook von Google Play Store

Kommunikationstechnik-Fibel als PDF-Datei ohne DRM

Das Buch zu dieser Webseite

Netzwerktechnik-Fibel

Die Netzwerktechnik-Fibel

Käufer der Netzwerktechnik-Fibel Kundenmeinung:
Die Netzwerktechnik-Fibel ist sehr informativ und verständlich. Genau das habe ich schon seit langem gesucht.

Netzwerktechnik-Fibel
jetzt bestellen!

 

Die Netzwerktechnik-Fibel ist im iBookstore erhältlich

Die Netzwerktechnik-Fibel für Amazon Kindle erhältlich

Die Netzwerktechnik-Fibel bei Google Play erhältlich

Netzwerktechnik-Fibel als PDF-Datei ohne DRM

Lichtwellenleiter (LWL / Glasfaser)

Lichtwellenleiter, kurz LWL genannt, übertragen Daten in Form von Licht bzw. Lichtsignalen über weite Strecken. Während elektrische 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 eines einzelnen Lichtwellenleiters beträgt rund 60 THz. Das macht Lichtwellenleiter zum Übertragungsmedium der Gegenwart und Zukunft. Da reicht ein Kupferkabel oder Funksystem nicht 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.
Oft bezeichnet man einen Lichtwellenleiter auch dann als Glasfaser, wenn der Grundstoff kein Glas ist.

Prinzip eines Übertragungssystems auf Basis eines Lichtwellenleiters

Lichtwellenleitertechnik
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 anderen Ende des Lichtwellenleiters 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 eines Lichtwellenleiters

Lichtwellenleiter
Lichtwellenleiter (LWL) aus Kunststoff haben einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Sie sind äußerst flexibel aber auch 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

Allerdings sind Lichtwellenleiter teurer als Kupferleitungen. Die Kosten für Material und der Aufwand bei der 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

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:

LED- und Laser-Lichteinkopplung
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

Lichtverlauf durch eine 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

Lichtverlauf durch eine 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

Lichtverlauf durch eine 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:

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

Übersicht: Glasfasertechnik

Weitere verwandte Themen:

Die Netzwerktechnik-Fibel

Die Netzwerktechnik-Fibel ist im iBookstore erhältlich Die Netzwerktechnik-Fibel für Amazon Kindle erhältlich