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Lichtwellenleiter

Die Artikel Lichtleiter und Lichtwellenleiter überschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zu vereinigen. Bitte äußere dich in der Diskussion über diese Überschneidungen, bevor du diesen Baustein entfernst. Jörg-Peter Wagner 22:58, 17. Feb. 2008 (CET)

Lichtwellenleiter (Abk.: LWL) oder Lichtleitkabel (LLK) sind aus Lichtleitern bestehende oder zusammengesetzte, teilweise konfektionierte, mit Steckverbindungen versehene Kabel und Leitungen zur Übertragung von Licht im sichtbaren sowie ultravioletten oder infraroten Bereich. Lichtleitkabel bilden mehr oder weniger stark biegsame Verbindungen zur Übertragung optischer Signale oder auch hoher optischer Strahlungsleistungen.

Die verwendeten Lichtleiter, in denen die Strahlung fortgeleitet wird, bestehen je nach Anwendung aus Mineralglas (meist Kieselglas bzw. Quarzglas, d. h. reines Siliciumdioxid (SiO2)) oder organischem Glas (Kunststoff).

Physikalisch gesehen handelt es sich dabei um dielektrische Wellenleiter.

Lichtwellenleiter kommen heute vor allem

zum Einsatz.

Zur Signalübertragung über kurze bis mittlere Entfernungen (bis ca. 10 m) und zur Dekoration werden Lichtwellenleiter aus Polystyrol oder Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau und Funktionsweise

Glasfaserkabel bestehen aus hochtransparenten Glasfasern (meist aus reinstem Kieselglas, chemisch Siliziumdioxid), die mit einem Glas niedrigerer Brechung ummantelt sind. Die Faser besteht aus einem Kern (engl. core), einem Mantel (engl. cladding) und einer Schutzbeschichtung (engl. coating und/oder buffer). Der lichtführende Kern dient zum Übertragen des Signals. Der Mantel hat eine niedrigere optische Brechzahl (Dichte) als der Kern. Der Mantel bewirkt dadurch eine Totalreflexion an der Grenzschicht und somit eine Führung der Strahlung im Kern des Lichtwellenleiters. Dennoch tritt ein Teil der Lichtwelle auch im Mantel auf, nicht jedoch an dessen Außenoberfläche. Die äußere Beschichtung ist ein Schutz vor mechanischen Beschädigungen und besteht meist aus einer 150–500 µm dicken Lackierung aus speziellem Kunststoff (meist Polyimid, Acryl oder Silikon), die die Faser auch vor Feuchtigkeit schützt. Ohne die Beschichtung würden die auf der Faseroberfläche vorhandenen Mikrorisse zu einer erheblichen Verringerung der mechanischen Belastbarkeit führen.

Arten

Bei Gradientenindexfasern nimmt die Brechzahl in radialer Richtung nach außen hin kontinuierlich ab. Im Gegensatz dazu ändert sich bei der Stufenindexfaser die Brechzahl vom Kern- zum Mantelglas hin abrupt. Erzeugt wird die Brechzahländerung beispielsweise durch gezielte Ablagerung von Germanium-Schichten auf der Preform, aus der die Glasfaser gezogen wird, wodurch später im Randbereich der Faser eine Dotierung entsteht.

Die Unterscheidung zwischen Gradientenindexfasern und Stufenindexfasern findet man nur bei so genannten Multimode-Fasern. Deren Gegenpart, die Singlemode-Faser, gibt es nur als Stufenindexfaser.

Multimode

Aufgrund mehrerer möglicher Lichtwege kommt es zu Signalbeeinflussungen (Laufzeitunterschiede), daher sind Multimode-Fasern zur Nachrichtenübertragung über große Distanzen bei hoher Bandbreite nicht geeignet.

Multimode-Fasern zur Nachrichtenübertragung haben einen inneren Kerndurchmesser von bis 62,5 µm (US-Standard) bzw. die feineren Ausführungen von nur 50 µm (EU-Standard). Der äußere Durchmesser der Faser beträgt bei beiden Ausführungen jedoch fast immer 125 µm (Bei den älteren Modellen 140 µm).

Maximale Übertragungsreichweite bei Multimode beträgt bei einem Kerndurchmesser von 50 µm ca. 550 m und bei 62,5 µm ca. 275 m. Neuere Fasern haben eine niedrigere Dämpfung und ermöglichen Reichweiten bis zu mehreren Kilometer (auch abhängig von der Leistung des Senders und Empfindlichkeit des Empfängers).

Auch die dickeren Lichtwellenleiter für Hochleistungs-Laser oder für Beleuchtungs- und Messzwecke sind vom Prinzip her Multimode-Fasern. Oft werden Multimode-Fasermuffen eingesetzt, um die Verringerung der Brechzahl zu ermöglichen.

Mono- bzw. Singlemode

Das Brechzahlprofil von Singlemode-Fasern ist so dimensioniert, dass die bei Multimode-Fasern problematische Mehrwegeausbreitung (intermodale Dispersion) entfällt – das Signallicht breitet sich in einer Singlemode-Faser nur in einem einzigen geführten Wellenleitermodus aus, daher die Bezeichnung single-mode. Damit sind wesentlich größere Übertragungsdistanzen und/oder -bandbreiten möglich, und der als nächstes auftretende limitierende Effekt ist die chromatische Dispersion des Wellenleitermodus.

Singlemode-Fasern haben üblicherweise einen deutlich kleineren Kern als Multimode-Fasern: die Standard-Singlemode-Faser (SSMF, z. B. Corning SMF-28) hat einen Kerndurchmesser von 8 µm. Das ist deutlich kleiner als der Kerndurchmesser von Multimode-Fasern, was die praktische Handhabung bei der Lichteinkopplung und Faserverbindung erschwert. Daher werden für kürzere Distanzen weiterhin Multimode-Fasern verwendet.

Die Singlemode-Faser, die teilweise auch als Monomode-Faser bezeichnet wird, hat meistens einen Kerndurchmesser von typischerweise 3 bis 9 µm, der äußere Durchmesser beträgt jedoch auch hier 125 µm. Die eigentliche Übertragung der Information erfolgt im Kern der Faser.

Die bisher gebräuchlichsten Singlemode-Fasern sind für den Einsatz bei λ=1310 nm oder λ=1550 nm (850nm; 1625nm jedoch nicht so häufig im Gebrauch) bestimmt, da bei dieser Wellenlänge die EDFAs (Erbium-doped Fiber Amplifier, Erbium-dotierte Faser-Verstärker) betrieben werden und, was jedoch weit wichtiger ist, das Dämpfungsminimum liegt. Zwar ist die Dispersion bei dieser Wellenlänge ungleich Null, dies ist aber nicht weiter schädlich, da es dispersionskompensierende Fasern gibt. Es ist sogar von Vorteil, dass die Dispersion ungleich Null ist, da sonst nichtlineare Effekte wie z. B. die Vier-Wellen-Mischung auftreten würden, welche das Signal erheblich stören. Zu beachten ist allerdings, dass dispersionskompensierende Fasern, die in sogenannten Dispersionskompensationsmodulen Anwendung finden, mit ihrer hohen Dämpfung das Powerbudget stark belasten können. Ein weiterer Vorteil dieser Wellenlänge ist, dass sich durch ein dynamisches Wechselspiel der dispersiven und optisch-nichtlinearen (Kerr-Effekt) Eigenschaften von Glasfaserkabeln gerade bei dieser Wellenlänge Solitonen erzeugen lassen. Die Wellenpakete (Lichtpulse) können demnach weitestgehend unverfälscht übertragen werden.



Die Standard-Einmodenfaser hat ein Stufenprofil, bei dem der Kern etwas höher dotiert ist als der Mantel mit einem Brechzahlhub Δ von ca. 0,003.

Eine Weiterentwicklung der Standardsinglemode-Faser ist die sog. Low-Water-Peak-Faser (ITU-T G.652.C und G.652.D). Im Gegensatz zur SSMF können bei dieser Faser auch im Wellenlängenbereich zwischen 1310 und 1550 nm Daten übertragen werden, da bei diesen Fasern der sog. Water-Peak herstellungsbedingt entfernt werden konnte. Bei einer SSMF ist dieser Wellenlängenbereich nicht nutzbar, da hier die Dämpfung aufgrund von Absorbtionseffekten ein lokales Maximum besitzt (etwa bei 1385 nm mit bis zu mehr als 1 dB/km).

Mit diesen Fasern wird das sogenannte E-Band (extended band) für die Datenübertragung geöffnet. Dieser Bereich wird überwiegend mit der CWDM-Technologie (Coarse Wavelength Division Multiplex oder Grobes Wellenlängenmultiplex) erschlossen, die es ermöglicht aufgrund der großen Kanalabstände auf sehr kostengünstige, ungekühlte Laser für die Übertragung zurückzugreifen.

Als Singlemode-Fasern für Weitverkehrsnetze wurden Non-Zero-Dispersion-Fasern (ITU-T G.655.C) verwendet. Sie verbinden eine sehr geringe Dämpfung mit einer geringen Dispersion im sogenannten C-Band um 1550 nm. Somit ist es möglich längere Strecken ohne Dispersionkompension zu erreichen, als dies mit SSMF möglich ist.

Anwendung in der Nachrichtenübertragung

Glasfaserkabel werden in der Nachrichtentechnik zur Informationsübertragung über weite Strecken mit hoher Bandbreite verwendet. Mit Singlemode-Fasern können Strecken bis 30 km ohne Repeater (Regeneration, Zwischenverstärkung) überbrückt werden.

Als Aus- und Eingangsverstärker sowie Repeater werden mit Diodenlasern gepumpte Erbium-Faser-Verstärker (EDFA, engl. erbium doped fibre amplifier) verwendet. Die Verstärkung erfolgt wie in einem Laser durch stimulierte Emission, jedoch ohne Rückkopplung.

In Datenübertragungsnetzen kommen Glasfaserkabel heute fast bei jedem Netzwerk-Standard zum Einsatz. Ein Standard für lokale Computernetze, der auf Glasfaserkabeln aufbaut, ist zum Beispiel das Fiber Distributed Data Interface (FDDI). Im Weitverkehrsbereich sind Glasfaserkabel insbesondere in der Verwendung als interkontinentale Seekabel ein enormer Fortschritt. Die Steuerung des Datenverkehrs über Glasfaserkabel ist in den HFC-Standards definiert.

Dark Fibre (dt. „dunkle Faser“) ist eine LWL-Leitung, die unbeschaltet verkauft oder vermietet wird. Der Lichtwellenleiter ist dabei zwischen zwei Standorten Punkt zu Punkt durchgespleißt. Für die Übertragung und die Übertragungsgeräte ist der Käufer oder Mieter verantwortlich. Er bestimmt auch die Verwendung. Dieses Geschäftsmodell wird auch mit Carriers Carrier oder Wholesale Business bezeichnet. Da es sich um eine reine Infrastrukturleistung handelt, unterliegt dieser Vertrag nicht dem Telekommunikationsgesetz.

Um Störungen bei Erdarbeiten oder Erweiterungen möglichst zu umgehen, sind in den Kabeln redundante Fasern enthalten. Auch nicht genutzte Glasfaserkapazitäten bezeichnet man als Dark Fiber, da bei unbenutzten Glasfasern keine Lichtsignale übertragen werden. Die Faser ist dann dunkel. Bei Bedarf werden weitere Fasern in Betrieb genommen.

Einzelne Fasern werden auch an andere vermietet:

In den letzten Jahren wird vor allem in Japan, USA, Italien und in Skandinavien der Ausbau von Glasfasernetzen im Anschlussbereich vorangetrieben. So werden dort Häuser direkt mit Glasfasern angeschlossen. Diese Vorgehensweise wird unter dem Begriff Fiber To The Home (FTTH) zusammengefasst. Bei diesem Ausbau werden pro Gebäude ein bis zwei Fasern verlegt. Werden zwei Fasern verlegt, so ist eine Faser für den Download, die andere für den Upload. Wird nur eine Faser verlegt, so läuft der Download über die Wellenlänge 1310 nm, während der Upload über 1550 nm realisiert wird.

Fasern in Weitverkehrsnetzen (zum Beispiel deutschlandweite Netze, Ozeanverbindungen) werden im DWDM-Verfahren betrieben, das enorme Übertragungskapazitäten ermöglicht. Dabei werden über mehrere Laser auf verschiedenen Wellenlängen Signale eingekoppelt und gleichzeitig auf einer Faser übertragen. Man hat somit verschiedene Kanäle auf einer Faser, ähnlich wie beim Radio. Mit Hilfe der breitbandig verstärkenden EDFAs ist ein Bandbreite-mal-Länge-Produkt von mehr als 10.000 (Tbit/s)·km möglich. Diese Systeme der 4. Generation wurden verstärkt Mitte der 1990er-Jahre verbaut und sind bis heute Stand der Technik.

Anwendung in der HiFi-Consumer/Studiotechnik

Anfang der 1990er-Jahre, wurden D/A Wandler und CD-Player angeboten die mittels dieser Technik, über eine ST Verbindung kommuniziert haben. Gerätebeispiele anhand eines Parasound DAC 2000, Madrigal Proceed PDP 3 mit CD-Transport PDT 3. Diese Art der Verbindung konnte sich allerdings gegen TOSLINK nicht durchsetzen und fand deshalb recht selten Verwendung.

Aufbau einer LWL-Übertragungsstrecke

Die Übertragungsstrecke besteht aus:

Diese Elemente müssen folgende Forderungen erfüllen:

Monomode-Fasern (geringe Dispersion im typischen C-Band um 1550 nm), werden im Fernnetzbereich eingesetzt. Multimode-Fasern (größere Dispersion) finden dagegen im Ortsbereich oder in kleinen Netzen Anwendung.

Zur Wiederherstellung des durch Dispersion verzerrten Signales werden sogenannte Dispersionkompensationsmodule verwendet. Diese bestehen in der Hauptsache aus Kompensationsfasern, die eine der Übertragungsfaser entgegensetzte Dispersion besitzen.

Der optische Empfänger am Ende einer Glasfaser muss eine große Empfindlichkeit besitzen (typisch −52 dBm) und sehr breitbandig sein.

Typische Bauelemente:

Verlegung

Die Verlegung erfolgt oft unterirdisch. Die Kabel werden in bereits bestehenden Schächten und Rohren, z. B. Abwasserkanälen, untergebracht und anschließend an den gewünschten Stellen mittels Verteilern zu den einzelnen Gebäuden verlegt. Dies ist kostengünstig, da keine Bauarbeiten nötig sind und durch die Ein- und Ausgangsschächte die jeweiligen Verbindungen schnell und einfach installiert werden können.

Verbindungstechniken

Die LWL- Fasern werden i. d. R. mit Steckverbindern verbunden. Bei endlos rotierenden Achsen können sogenannte Schleifringübertrager oder Drehverteiler (mikrooptische Drehübertrager) zum Einsatz kommen. Diese werden zwischengeschaltet und ermöglichen die kontinuierliche Datenübertragung (analog oder digital) von stehenden auf rotierende Bauteile.

Steckverbindungen

Grundsätzliches: LWL-Stecker zur Nachrichtenübertragung wurden früher stets mit einer planen, zur Faserachse rechtwinkligen Endfläche der eingebetteten Faser gefertigt. Die gesteckte Verbindung stellt dann eine direkte Berührung der Planflächen der Fasern sicher.

Diese planen Endflächen haben jedoch gewisse Nachteile:

  1. Der Anpressdruck verteilt sich auf die gesamte Steckerendfläche und nicht nur auf den für die Übertragung relevanten Bereich des Faserkernes.
  2. Verunreinigungen oder Beschädigungen auf der Steckerendfläche (auch außerhalb des Kernbereiches) können bewirken, dass beim Stecken ein Luftspalt zwischen den beiden Steckern verbleibt, welcher zu einer erhöhten Dämpfung und Reflektivität der Verbindung führt.

Aus diesem Grunde wurde der sogenannte PC-Stecker entwickelt (engl. physical contact). Dieser Stecker hat eine ballige Endfläche und beim Stecken „kontaktieren“ sich „physikalisch“ nur die Kernflächen (Faserenden) der beiden Stecker. Die oben beschriebenen Probleme wurden dadurch weitgehend vermieden.

Stecker dieser Bauart führen oft ein „PC“ als Ergänzung in Ihrer Bezeichnung. (ST/PC, SC/PC, FC/PC usw.) Heutzutage sind alle qualitativ hochwertigen Stecker „PC-Stecker“.

Immer höhere Anforderungen an die Rückflussdämpfung der installierten Steckverbindungen im Bereich der MAN und WAN Netze brachten schließlich den sogenannten HRL (engl. high return loss) oder APC (engl. angled physical contact) Stecker hervor. Bei dieser Steckerart ist die Steckerendfläche nicht nur bauchig, sondern steht auch winklig zur Faserachse (Standard = 8°). Durch diesen Aufbau wird von der Steckerendfläche zurückreflektiertes Licht aus dem Kern über das Mantelglas in die Luft hinaus gebrochen und kann somit die Licht-(Daten-)übertragung nicht mehr stören. Stecker dieser Bauart führen ein APC oder HRL als Ergänzung in ihrer Bezeichnung. (ST/APC, SC/APC, FC/APC, E2000/APC usw.) Stecker dieser Bauart finden vor allem in hochdatenratigen City-(MAN)- oder Weitverkehrsnetzen-(WAN)-Anwendung.

Die am häufigsten verwendeten Steckerarten sind ST (engl. straight tip) und SC (LAN) und E-2000 (MAN, WAN).

Weitere Standard-Steckertechniken sind DIN-Stecker, FC-Stecker, MIC-Stecker, MiniBNC-Stecker, FSMA-Stecker, MTRJ-Stecker und ESCON-Stecker.

Spleißverbindungen

Das Verspleißen von Glasfasern ist eine sichere und verlustarme Verbindungsmethode, erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung und Erfahrung. Die Enden müssen vor dem Verspleißen plan zugerichtet und genau zueinander positioniert werden. Dann folgt eine Aufschmelzung der Faserenden durch einen kurzzeitigen Lichtbogen. Während des Aufschmelzens werden die Glasfaserenden ohne zusätzliches Fügemittel aneinandergeschoben. Danach wird die bruchempfindliche Spleißstelle mit einem Spleißschutz mechanisch und vor Feuchtigkeit geschützt.

Glasfasermuffen enthalten mehrere Spleißverbindungen und verbinden zwei oder mehr Kabel mit jeweils mehreren Fasern bzw. LWL miteinander. Hierfür müssen die Glasfaserkabel einzeln gestrippt, verspleißt und in Kassetten eingelegt werden. Diese dienen dazu, dass bei evtl. Störungen einer Faser die restlichen Fasern unbeeinflusst bleiben. Eine Muffe kann über 200 einzelne Fasern aufnehmen, was mehrere Tage Installationszeit beanspruchen kann.

Daneben gibt es Spleißverbindungen sogenannter Ribbon- oder Bändchenkabel. Bei diesen Kabeln sind als Einzelelement bis zu zwölf Glasfasern in einer Klebematrix bandförmig nebeneinander untergebracht. Die zugehörigen Kabel beinhalten bis zu 100 solcher Bändchen, d. h. bis zu 1200 Glasfasern. Die entsprechende Spleißtechnik verspleißt immer die gesamten Bändchen miteinander, d. h. vier, sechs oder zwölf Glasfasern gleichzeitig mittels Lichtbogen.

Siehe auch: Hauptartikel Spleißen

Weitere Technologien

In optischen Bauelementen finden sich auch Abzweige und Zusammenführungen von Fasern. Weiterhin gibt es Umschalter für mehrere Fasern. Diese können mechanisch oder optisch/berührungslos arbeiten.

Vor- und Nachteile

Vorteile
Nachteile

Mögliche Störungen

Abhörmethoden

Normen

Die Lichtwellenleiter sind nach VDE 0888-2, ITU-T G.651 bis G.656 und IEC 60793 genormt.

Weitere Anwendungen

Potentialgetrennte Signalübertragung

Glasfaserkabel werden zur stromlosen Signalübertragung eingesetzt, z. B.

Messtechnik

Eine weitere Anwendung ist die Messtechnik, bei der die auszuwertende Strahlung zwischen einem Messkopf und der Auswertelektronik mit einem LWL übertragen wird. Man kann dadurch unter Extrembedingungen messen, die die Elektronik nicht aushalten würde, wenn sie ohne die räumliche Trennung durch den LWL mit dem Messobjekt in Berührung käme. Die bekannteste Anwendung solcher Anordnungen sind Temperaturmesser und -regler in Stahl- und Glaswerken. Auch Spektrometer haben oft LWL-Eingänge.

Glasfasern können auch als Sensoren verwendet werden:

Hochleistungslaser

Die Strahlung von Hochleistungs-Lasern im nahen Infrarot (Einsatz u. a. zur Materialbearbeitung) wird oft in Lichtleitkabeln (LLK) geführt, um sie besser an den Wirkungsort heranführen zu können. Es können Leistungen bis zu mehreren Kilowatt in Fasern mit 0,1–1,5 mm Kerndurchmesser nahezu verlustfrei übertragen werden. Um Unfälle zu vermeiden, sind derartige Fasern mit einer Faserbruchüberwachung ausgestattet.

Steckverbindungen derartiger Fasern sind prinzipiell anders aufgebaut als diejenigen der Nachrichtenübertragung: Sie müssen hohe thermische Verlustleistungen aufgrund der Streustrahlung und ggf. Rückreflexionen vertragen. Verbindungen der Fasern werden grundsätzlich vermieden. Die Faserendflächen sind plan und ragen frei ohne Einbettung heraus. Teilweise werden sie an einen Kieselglasblock gepresst, um Verunreinigungen der Endflächen zu vermeiden. Aufgrund der hohen Leistungsflussdichten führen kleinste Verunreinigungen zur Zerstörung. Antireflexbeschichtung der Endflächen ist aus diesem Grund ebenfalls nicht möglich. Bis etwa 500 Watt Laserstrahlleistung sind SMA-Steckverbindungen möglich, wobei die Faser jedoch nicht bis zum Ende eingebettet ist.

Dotierte Fasern (z. B. mit Erbium) können selbst als Laser oder Licht-Verstärker arbeiten (siehe Faserlaser). Hierzu werden sie optisch mittels Hochleistungs-Diodenlasern gepumpt. Diese Technik findet sowohl in der Nachrichtentechnik als auch im Hochleistungsbereich Verwendung.

In der Lasershowtechnik wird Laserlicht von einer zentralen Quelle über Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilte Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbeträgen.

Anzeigen und Dekoration

Zu Beleuchtungs- und Dekorationszwecken werden Fasern oder Faserbündel aus mineralischem oder organischem Glas (Plastwerkstoffe, z. B. (PMMA, Polycarbonat)) eingesetzt:

Literatur

Physikalische Grundlagen

Technik

Weblinks