Lichtwellenleiter (LWL / Glasfaser)

Die Lichtleitertechnik ist ein alt bewährtes Prinzip, bei der elektrische Signale in Lichtsignale umgewandelt werden. Mit Hilfe von Glas-, Quarz- oder Kunststofffasern kann das Licht über lange Strecken transportiert werden. Am Ende der Übertragung werden die Lichtimpulse wieder in elektrische Signale umgewandelt.
Die Glasfaser ist ein Lichtwellenleiter (LWL), dessen Fasern aus dem Grundstoff Glas bestehen. Er wird häufig mit dem Begriff Lichtwellenleiter (LWL) verwechselt. Lichtwellenleiter ist der Oberbegriff für alle lichtleitenden Leitungen, worunter auch die Glasfaser fällt.

Sender oder Quelle	Analog- Digital- Wandler	Treiber- Stufe	Leucht- diode	Licht- wellen- leiter	Foto- Trs.	Digital- Analog- Wandler	Treiber- Stufe	Empfänger

Während die elektrischen Signale in Kupferleitungen als Elektronen von einem zum anderen Ende wandern, übernehmen in Glasfaserkabeln Photonen (Lichtteilchen) diese Aufgabe.
Licht kommt in beliebig vielen spektralen Farben vor. Jede Farbe des Lichtes wird einer bestimmten Frequenz der elektromagnetische Welle zugeordnet. Durch die Verwendung unterschiedlicher Farben (Frequenzen) lassen sich auf einem Lichtwellenleiter mehrere Datenkanäle unabhängig voneinander betreiben. Das macht die Lichtwellenleiter zum Übertragungsmedium der Gegenwart und Zukunft.
Als Übertragungstechnik dient DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Das ist ein rein optisches Multiplexsystem. Es arbeitet, ähnlich wie Farbfilter, die nur genau definierte Wellenlängen des Lichts (Farbspektrum) durchlassen.

Aufbau des Lichtwellenleiters

Lichtwellenleiter (LWL) aus Kunststoff haben einen Durchmesser von etwa 0,1 mm und sind äußerst flexibel und empfindlich. Der Kern 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 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 um es Umwelteinflüssen zu schützen. 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 elektromagnetische Störeinflüsse.
• Wegen der optischen Übertragung sind Störstrahlungen und Masseprobleme nicht vorhanden.
• 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 Montage, sowie der Aufwand für die Montage sind höher. Dafür haben Lichtwellenleiter eine erheblich geringere Dämpfung und eignen sich auch 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.

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. Da Fabry-Perot- und Distributed-Feedback-Laser sehr teuer sind, werden die speziell für Lichtwellenleiter entwickelten VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) 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	8 µm/125 µm	100 GHz	Telefon- gesellschaften

Multimodefaser mit Stufenindexprofil

Multimodefasern mit Stufenprofil haben einen Durchmesser von 200 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 Durchmesser von 50 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 Durchmesser von 10 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

	OM3 Faser	OM2 Faser	OM1 Faser
Kern-Durchmesser	50 µm	50 µm	62,5 µm
Faser-Durchmesser	100 µm	100 µm	100 µm
Optimierte Datenrate bei 850 nm	10 GBit/s über 300 m	10 GBit/s über 100 m
	1 GBit/s über 1000 m	1 GBit/s über 600 m	1 GBit/s über 300 m
Optimierte Protokolle	ATM Ethernet Fiber Channel IP SONET	ATM Ethernet Fiber Channel InfiniBand IP	Ethernet FDDI Token Ring ATM IP

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

Dieser Artikel entstand mit freundlicher Unterstützung durch Corning Cable Systems.

Übersicht: Glasfasertechnik

• Lichtwellenleiter-Kabel
• Lichtwellenleiter-Komponenten
• GPON - Gigabit Passive Optical Network
• Glasfaser-Netzarchitektur
• Optische Übertragungssysteme

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• Übertragungsmedien
• Leitungen und Kabel

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