Lichtwellenleiter (LWL) / Glasfaser

Lichtwellenleiter, kurz LWL genannt, sind dünne Kunststofffasern, die optische Signale in Form von Licht über weite Strecken übertragen können. Während elektrische Signale in Kupferleitungen als Elektronen von einem zum anderen Ende wandern, übernehmen in Lichtwellenleitern 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 theoretisch rund 60 THz. Kommerzielle Systeme erreichen dreistelligen Datenraten im GBit/s-Bereich. Durch Hinzufügen weiterer Wellenlängen (unterschiedliche Farben) kann die Kapazität nahezu beliebig erhöht werden. Das kann kein Kupferkabel und auch kein Funksystem. Die Datenübertragung über Glasfaser ist deshalb die leistungsfähigste Technik für den leitungsgeführten Transport digitaler Daten.

Glasfaser oder Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter (LWL) ist der Oberbegriff für alle Licht-leitenden Leitungen, worunter auch die Glasfaser fällt. Lichtwellenleiter gibt es mit unterschiedlichen Materialien. In der Regel kommen Glas-, Quarz- und Kunststofffasern zum Einsatz. Oft bezeichnet man einen Lichtwellenleiter einfach als Glasfaser, auch wenn der Grundstoff Kunststoff oder Quarz ist.

Prinzip eines Übertragungssystems auf Basis eines Lichtwellenleiters

Um in Kommunikationsnetzen 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 in der Regel erst in elektrische Signale umgewandelt werden.

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 (ADC) statt. In der Regel liegen die Daten als elektrische Signale vor, die durch eine Treiberstufe verstärkt werden. Für die optische 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. Bedarfsweise findet auch hier eine Digital-Analog-Wandlung (DAC) statt, wenn die Daten in analoger Form verarbeitet werden müssen.

Kommunikationsnetze mit Lichtwellenleiter

Um in Kommunikationsnetzen 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 in der Regel erst in elektrische Signale umgewandelt werden.

Aufbau eines Lichtwellenleiters

Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter aus Kunststoff haben einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Sie sind äußerst flexibel aber auch empfindlich. Deshalb wird ein fachmännischer Umgang mit Lichtwellenleitern vorausgesetzt.
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 darüberliegende Mantel. An den Wänden im Innern des Lichtwellenleiters findet eine Reflexion statt, so dass der Lichtstrahl nahezu verlustfrei um jede Ecke geleitet wird. Der Effekt der Reflexion zwischen Kernglas und Mantelglas wird Totalreflexion genannt.
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 mechanischer 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 (mechanische oder thermische Belastung) im Kabel isoliert, wenn das Kabel bewegt wird.

Vorteile der Lichtwellenleiter gegenüber Kupferkabel

  • Lichtwellenleiter können beliebig mit anderen Versorgungsleitungen parallel verlegt werden. Es wirken keine elektromagnetischen Störeinflüsse.
  • Wegen der optischen Übertragung existieren keine Störstrahlungen oder Masseprobleme.
  • Entfernungsbedingte Verluste durch Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen treten nicht auf.
  • Nahezu Frequenz-unabhängige Leitungsdämpfung der Signale.
  • Übertragungsraten sind durch mehrere Trägerwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Farbspektrum) fast unbegrenzt erhöhbar.
  • Es gibt keine Probleme mit dem Potenzialausgleich bei unterschiedlichen Erdungspotenzialen an den Kabelenden der Etagenverteiler.

Nachteile der Glasfaser

  • Lichtwellenleiter sind teurer als Kupferkabel.
  • Die Kosten für den Aufwand bei der Montage sind höher.
  • Lichtimpulse lassen sich nicht vernünftig verarbeiten und auch nicht speichern.

Wegen fehlender optischer Signalspeicher und Verarbeitungselementen muss beim Übertragen von Licht eine aufwendige optisch-elektrische und elektrisch-optische Signalumwandlung stattfinden. Dafür haben Lichtwellenleiter eine erheblich geringere Dämpfung und eignen sich somit für weite Strecken.

Fachbegriffe

Der Brechungsindex ist der Faktor, um den die Lichtgeschwindigkeit in optischen Medien kleiner ist, als im Vakuum.

Moden sind die verschiedenen Wege, denen die Photonen des Lichts innerhalb oder entlang der Faser folgen können. Single- oder Monomode-Fasern haben nur eine, Multimode-Fasern können viele Moden unterstützen.

Der Spleiß ist die dauerhafte Verbindung zwischen zwei Fasern. Um eine Verbindung zwischen zwei Fasern herzustellen, müssen die beiden Enden verschmolzen (Schmelzspleiß) oder verklebt (Klebespleiß) werden.

Das Einfügen eines optischen Bauelements erzeugt eine Dämpfung des Signals. Das ist mit Einfügedämpfung gemeint.

Dispersion beschreibt den Effekt, dass der eingespeiste Lichtimpuls über den Ausbreitungsweg zeitlich ausgeweitet wird. Der Lichtimpuls wird breiter. Dadurch kann es zu Überlappungen mit den vorangegangenen und nachfolgenden Impulsen kommen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann es zu Übertragungsfehlern kommen.
Damit der Lichtimpuls möglichst lange impulsartig bleibt, werden für die Impulserzeugung Laserdioden und keine herkömmlichen Leuchtdioden verwendet.

Mode und Moden

Der Begriff "Mode" in Bezug auf Glasfaserkabel bezieht sich auf die Anzahl der möglichen Lichtpfade oder Signalwege, die durch die Glasfaser verlaufen können. Singlemode-Fasern erlauben nur einen Lichtpfad, während Multimode-Fasern mehrere Lichtpfade unterstützen. Singlemode-Fasern wird für große Entfernungen verwendet, während Multimode-Fasern für kürzere Strecken in Rechenzentren oder Unternehmensnetzwerken geeignet ist.

Bei Multimode-Fasern ist die räumliche Verteilung des Lichts orthogonal (vergleichbar mit „linear unabhängig“ bei Vektoren). Man muss sich das so vorstellen, dass man mehrere Lichtsignale gleichzeitig mit unterschiedlichen Winkeln in die Faser einspeist. Abhängig vom Winkel wird das Signal häufiger an den Wänden reflektiert und legt eine längere Strecke zurück. Das ist mit den Moden gemeint. Die unterschiedlichen Moden können (theoretisch) voneinander wieder getrennt werden. Allerdings sind die Moden in den klassischen Multimode-Fasern ein unerwünschter Nebeneffekt. Es erfolgt kein Multiplexing. Es wird sogar darauf geachtet, keine Laufzeitunterschiede zu bekommen.

Man verwendet Multimode-Fasern normalerweise nur wegen der geringeren Kosten im Vergleich zu Singlemode-Fasern. Das wiederum geht zu Lasten einer reduzierten Leitungslänge wegen der deutlich höheren Dämpfung von Multimode-Fasern.

Lichteinkopplung in die Faser

Eine Multimode-Faser hat mehrere Moden. Bei der LED-Lichteinkopplung werden alle Moden einer Faser angeregt und somit der gesamte Faserkern ausgefüllt. Man spricht von einer Vollanregung.
Die übertragbare Datenrate mit LED-Transceivern ist 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. Stattdessen 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, die von allen namhaften Hersteller verwendet werden.

VCSEL-Laser haben gegenüber LEDs mehrere Vorteile:

  • niedrigere Dämpfung bei der Signaleinkopplung
  • höhere Übertragungsleistung
  • größere Übertragungsentfernung
  • längere Betriebsdauer

LED- und Laser-Lichteinkopplung

Allerdings entstehen bei der Laser-Lichteinkopplung in herkömmlichen Multimode-Fasern 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 Lichtwellenleiter zu verwenden.

Erhöhung der Datenrate

Bei der Datenübertragung per Glasfaser ist neben der Reichweite die Datenrate ein wichtiger Faktor. Die Summendatenrate ist von mehreren Parametern abhängig und steigerbar.

  • Anzahl der parallel verwendeten Wellenlängen (Anzahl der Farben)
  • Mehr Träger (Wellenlängen) mit geringerem Abstand
  • Höherwertigere Modulation jeder Wellenlänge (Anzahl pro Schritt übertragenen Bits)
  • Mehrere parallele Datenströme auf derselben Wellenlänge (Multiple Input Multiple Output)

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, Patchkabel
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

Multimode-Faser mit Stufenindexprofil

Lichtverlauf durch eine Multimodefaser mit Stufenindexprofil

Multimode-Fasern 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.

Multimode-Faser mit Gradientenindexprofil

Lichtverlauf durch eine Multimodefaser mit Gradientenindexprofil

Multimode-Fasern 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.

Monomode-Faser / Singlemode-Faser

Lichtverlauf durch eine Monomodefaser / Singlemodefaser

Singlemode-Fasern oder Monomode-Fasern haben einen Gesamtdurchmesser von 125 µm. Durch sie werden die Lichtwellen gerade hindurchgeleitet. Sie werden für weite Strecken eingesetzt. Der Kerndurchmesser einer Singlemode-Faser ist gegenüber der Wellenlänge des Lichts so klein, dass sich nur ein Modus (Moden) ausbreiten kann. Singlemode-Fasern 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 verarbeitenden Fasern, sind Breitband-Leistungsfähigkeit für flexibles Netzwerk-Design erwünscht.

Übersicht: Glasfasertechnik

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