Lichtwellenleiter

Fibreoptic.jpg Lichtwellenleiter (Abk.: LWL, auch Lichtleiter genannt) sind flexible optische Medien aus Mineralglas (meist Kieselglas, SiO₂) oder organischem Glas (Kunststoff), in denen Licht kontrolliert geleitet werden kann. Physikalisch gesehen handelt es sich dabei um dielektrische Hohlleiter.
Lichtwellenleiter kommen heute vor allem als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Telekommunikationsverfahren (Glasfaserkabel), zur Übertragung von Energie (Lichtleitkabel z.B. für Laserstrahlung, UV-Licht und Beleuchtungszwecke) sowie in der Messtechnik (z. B. bei Infrarotthermometern und Spektrometern) zum Einsatz.
Zur Signalübertragung über kurze bis mittlere Entfernungen werden Lichtwellenleiter aus Polystyrol oder Polymethylmethacrylat verwendet.

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 (Core), einem Mantel (Cladding) und einer Beschichtung (Coating oder Buffer). Der lichtführende Kern dient zum Übertragen des Signals. Der Mantel ist auch lichtführend, hat jedoch eine niedrigere optische Brechzahl als der Kern. Der Mantel bewirkt dadurch eine Totalreflexion an der Grenzschicht und somit eine Führung der Strahlung im Kern des Lichtwellenleiters. Die Beschichtung ist ein Schutz vor mechanischen Beschädigungen und normalerweise eine zwischen 150 und 500 µm dicke Lackierung aus speziellem Kunststoff (meist Polyimid), die die Faser vor feuchter Atmosphäre schützt. Ohne die Beschichtung würden die auf der Faseroberfläche vorhandenen Mikrorisse zu einer erheblichen Verringerung der mechanischen Belastbarkeit führen.

Glasfasermuffe

glasfasermuffe.jpg Die Glasfasermuffe verbindet, wie jede Muffe, zwei Kabel miteinander, hier Glasfaserkabel. Hierfür müssen die Glasfaserkabel einzeln verschweißt werden und in sog. Kassetten eingelegt werden. Dies dient dazu, dass bei evtl. Störungen einer Faser die restlichen Fasern unberührt bleiben. Eine Muffe kann über 100 einzelne Fasern aufnehmen, was mehrere Tage Installationszeit beanspruchen kann.

Arten

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

Duplex_sc.jpg 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

Hier sind viele einzelne Lichtwellen (Moden) an der Signalübertragung beteiligt.

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 Core-Durchmesser von 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).

Auch dickere Lichtwellenleiter für Hochleistungs-Laser oder für Beleuchtungs- und Messzwecke sind vom Prinzip her Multimode-Fasern.

Multimode-Fasern sind im Gegensatz zu Singlemode-Fasern relativ preisgünstig. Sie sind äußerlich an der meist orangenen Farbe der Ummantelung zu erkennen.

Maximale Übertragungsreichweite bei Multimode beträgt bei 50 µm Core ca 550m und bei 62,5 µm Core ca 275m

Monomode oder Singlemode

Die Signalübertragung erfolgt hier über eine (mono, single) Lichtwelle (Mode).

Bei großen Distanzen und/oder Bandbreiten werden nur Standard-Singlemode-Fasern (SSMF) eingesetzt, da hierbei Signalverzerrungen ausschließlich aufgrund der Dispersion, nicht jedoch - wie bei Multimode-Fasern - aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungswege auftreten.

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

Die bisher gebräuchlichsten Singlemode-Fasern sind für den Einsatz bei λ=1.310 nm oder λ=1.550 nm bestimmt, da bei dieser Wellenlänge die EDFAs (Erbium-doped Fiber Amplifier, Erbium-dotierte Faser-Verstärker) betrieben werden und, was jedoch weniger wichtig 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, das Signal erheblich stören würden. Zu beachten ist allerdings, dass die dispersionskompensierende Fasern, die in sog. 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 (Lichtimpulse) 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. Wasserpeak herstellungsbedingt entfernt werden konnte. Bei einer SSMF ist dieser Wellenlängenbereich nicht nutzbar, da aufgrund von Absorbtionseffekten die Dämpfung hier ein lokales Maximum hat (etwa bei 1385 nm mit bis zu mehr als 1 dB/km).

Mit diesen Fasern wird das sog. 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, ungekühlter Laser für die Übertragung zurückzugreifen.

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

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.

LWL - Steckertechnologien

Grundsätzliches: LWL-Stecker wurden historisch immer mit einer Endfläche im 90° Winkel zur Faserachse gefertigt. Dieser Aufbau hatte aber gewisse Nachteile :

Der Anpressdruck verteilte sich auf die gesamte Steckerendfläche und nicht nur auf den für die Übertragung relevanten Bereich des Faserkernes.
Verunreinigungen oder Beschädigungen auf der Steckerendfläche (auch außerhalb des Kernbereiches) konnten dafür sorgen, daß beim Stecken ein Luftspalt zwischen den beiden Steckern verbleibt, welcher zu einer erhöhten Dämpfung und Reflektivität der Verbindung führte.

Aus diesem Grunde wurde der sog. PC-Stecker entwickelt (Physical Contact). Dieser Stecker hat eine bauchige Endfläche und beim Stecken "kontaktieren" sich "physikalisch" nur die Kernflächen der beiden Stecker. Die oben beschriebenen Probleme wurden dadurch gelöst. 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 sog. HRL (High Return Loss) oder APC (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, E-2000/APC usw.) Stecker dieser Bauart finden vor allem in hochdatenratigen City- (MAN) oder Weitverkehrsnetzen (WAN) Anwendung.

Die am häufigsten verwendeten Steckerarten sind ST (Straight Tip) und SC (LAN) und E-2000 (MAN, WAN).

Lwl st.jpg

ST: Diese Stecker sind in LANs sehr verbreitet. Geeignet ist dieser Stecker für Monomode- und Multimode-Glasfaserkabel. Wobei hauptsächlich bei Multimode - Anwendungen verwendet. Die geringe Einfügungsdämpfung prädestiniert diesen Steckertyp für den Einsatz bei passivem Rangieren (Patching) bzw. für Anwendungen mit geringem Dämpfungsbudget. Die mittlere Einfügedämpfung liegt bei 0,3 dB, die maximale bei 0,5 dB.

Lwl sc.jpg

SC: Dieser Stecker wird momentan meistens bei LAN-Neuinstallationen verwendet. Sein rechteckiges Design kann für Multimode- und Monomode-Glasfaser verwendet werden. Die mittlere Einfügedämpfung liegt bei 0,2 dB, die maximale bei 0,4 dB (gegen Master gemessen). Der Vorteil gegenüber dem ST Stecker liegt in der Push-Pull-Technologie - d.h.: der Stecker verriegelt sich automatisch beim Einstecken und entriegelt sich beim Abziehen (Vergleich: ST = Bajonett Verschluß). Dadurch lassen sich Duplexstecker erstellen (2 Stecker, verbunden durch einen Duplex-Klip) und Duplex-Verbindungen gleichzeitig stecken und abziehen.

LC: Dieser Stecker ist ähnlich der SC-Technik, nur kleiner. Er findet Verwendung beim Anschluss an Mini-GBICs.

Lwl e2000.jpg

E-2000: Dieser Stecker hat sich deutschlandweit bei MAN oder WAN Strecken durchgesetzt. Er verfügt gegenüber den oben genannten Steckern über eine Laserschutzklappe, die das Risiko von Augenverletzungen minimiert, lässt sich einfach farblich kodieren und verfügt ebenfalls über einen Push-Pull-Mechanismus. Er wird mittlerweile als sog. 0,1dB Stecker mit einer garantierten Dämpfung von max. 0,1dB angeboten.

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

Aufbau einer LWL-Übertragungsstrecke

Die Übertragungsstrecke besteht aus:

optischer Sender
Glasfaserkabel
optischer Empfänger

Diese Elemente müssen folgende Forderungen erfüllen:

Der optische Sender braucht eine Sendeleistung von -24 bis -1 dBm.
Das Glasfaserkabel muss eine kleine Dämpfung / Dispersion besitzen.
Monomode-Fasern, die ein geringe Dispersion im Übertragungsband (typischerweise C-Band um 1550 nm), werden im Fernnetzbereich eingesetzt.
Multimode-Fasern mit entsprechend großer Dispersion dagegen im Ortsbereich oder kleinen Netzen.

Zur Wiederherstellung des durch Dispersion verzehrten Signals werden sog. Dispersionkompensationsmodule verwendet. Diese bestehen in der Hauptsache aus Kompensationsfasern, die eine der Übertragungsfaser entgegensetzte Dispersion besitzen.
Der optische Empfänger muss eine große Empfindlichkeit besitzen, -52 dBm

Eingesetzte Bauelemente:

optische Sender wie LEDs oder Laserdioden (häufig VCSEL)
optische Empfänger wie PIN-Dioden oder Avalanche-Dioden (APD)

Zur Verbesserung der Übertragungsstrecke werden optische Verstärker eingesetzt.

Anwendung in der Nachrichtenübertragung

Glasfaserkabel werden in der Nachrichtentechnik zur Informationsübertragung über weite Strecken mit hoher Bandbreite verwendet. Mit Singlemode-Fasern können Strecken bis ungefähr 100km ohne Regeneration (aber mit Erbium-Faser-Pumplasern (EDFAs)) überbrückt werden. In der Datenverarbeitung 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 Fiber ist eine LWL-Leitung, die unbeschaltet verkauft oder vermietet wird. Für die Übertragung und die Übertragungsgeräte ist der Käufer oder Mieter verantwortlich. Er bestimmt auch die Verwendung. Um Erdarbeiten bei Störungen oder Erweiterungen möglichst zu umgehen, sind in den Kabeln redundante Fasern enthalten. Nicht genutzte Glasfaserkapazitäten bezeichnet man auch als Dark Fiber ("dunkle Faser"), 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:

an Unternehmen und Organisationen, die ein WAN oder ein GAN aufbauen wollen.
an andere Telekommunikationsunternehmen, die damit Teilnehmer anschließen können, zu deren Räumlichkeiten sie kein eigenes Kabel liegen haben (Erschließung der letzten Meile).

In den letzten Jahren wird vor allem in Japan, USA, Italien und in Skandinavien der Ausbau von Glasfasernetzen im Anschlußbereich voran getrieben. 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.

Weitere Anwendungen

Glasfaserkabel werden zur potentialgetrennten Signalübertragung eingesetzt, z. B.

bei Leistungselektronik-Anlagen (z. B. Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung), um Steuersignale zu den auf Hochspannungspotential befindlichen Thyristoren zu übertragen. Es ist sogar möglich, die Stromrichterthyristoren direkt über die in der Glasfaser übertragenen Lichtpulse zu zünden Optothyristor.
zur Übertragung von Messsignalen in Hochspannungsanlagen oder in störender Umgebung
in Audio-Anlagen, um Brummschleifen und Störungen zu vermeiden.

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.

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 Kern-Durchmesser nahezu verlustfrei übertragen werden.

Um Unfälle zu vermeiden, sind derartige Fasern mit einer Faserbruchüberwachung ausgestattet.

Zu Beleuchtungs- und Dekorationszwecken werden Fasern oder Faserbündel aus mineralischem oder organischem Glas (ugs.: Plastik, Plaste) eingesetzt:

Übertragung des Lichtes einer Signal-LED von der Platine zur Anzeigetafel
Mikroskop-Lichtquellen ("Schwanenhals"): ein manipulierbares Faserbündel wird mit einer Halogen-Glühlampe gespeist
"Sternenhimmel": mehrere Fasern werden vor der Verteilung als Bündel mit einer Halogen-Glühlampe + Filterrad beleuchtet

Glasfasern können als Sensoren verwendet werden:

verschiedene Temperaturen entlang der Faser führen zu auswertbaren optischen Beeinflussungen (Rayleigh- und Raman-Rückstreuung) - es können ortsaufgelöst Temperaturen bestimmt werden (Distributed Temperatur Sensor, DTS).
in Laser-Gyroskopen wird eine aufgewickelte Faser als Sensor für die Winkelgeschwindigkeit verwendet.

Dotierte Fasern (z. B. mit Erbium) können als Laser oder Licht-Verstärker arbeiten (siehe Faserlaser).

Vor- und Nachteile

Vorteile

hohe Übertragungsraten (Gigabit- bis Terabit-Bereich)
sehr große Reichweiten durch geringe Dämpfung (bis mehrere hundert Kilometer)
geringe Kosten pro übertragenes Bit
kein Übersprechen (ungewollte Signaleinstreuung auf benachbarte Fasern)
keine Beeinflussung durch äußere elektrische oder elektromagnetische Störfelder
keine Erdung nötig
Verlegbarkeit in explosionsgefährdetem Umfeld (keine Funkenbildung)
im Primär- bzw. Sekundärbereich meist kostengünstiger durch nicht notwendige Erdung, Potentialausgleich, Abschirmung und Überspannungsschutz
Möglichkeit zur Signalübermittlung an auf Hochspannungspotential liegenden Komponenten, zum Beispiel bei Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
wesentlich leichter als Kupferkabel
wesentlich weniger Platzbedarf als Kupferkabel
Rohstoffe - im Gegensatz zu Kupfer - praktisch unbegrenzt verfügbar

Nachteile

hoher Konfektionierungsaufwand (Installation durch Spezialfirmen)
Schwachstelle Steckertechnologie (Verschmutzung, Justage)
relativ empfindlich gegenüber mechanischer Belastung
teure Gerätetechnik
aufwendige und komplexe Messtechnik
nicht einfach zu verlegen, keine 90° winkel möglich

mögliche Störungen

Dämpfung durch
- Spleiße dämpfen um 0,02 bis 0,2 dB
- Einschlüsse
- Deformierung des Kernes dämpft um 2 bis 5 dB/km

(Kompensation der Dämpfung in der Nachrichtentechnik durch Optische Verstärker möglich.)

Faserbruch (Unfallgefahr, insbesondere bei den dicken LWL für Hochleistungslaser)

Dispersion
- Monomode-Faser: Dispersion kann jedoch durch dispersionskompensierende Fasern kompensiert werden, dadurch sehr großes Bandbreitenlängenprodukt.
- Multimode-Faser: Dispersion ist entsprechend groß, daher ist das Bandbreitenlängenprodukt klein.

Abhörmethoden

am Spleiß (mittels eines Lichtbogenspleißgerätes werden zwei Faserenden genau zueinander justiert und thermisch verschmolzen.) Der Dämpfungswert liegt bei 0,03dB, gute Spleiße liegen sogar unter 0,02dB. Dennoch tritt Strahlung aus, die ausgewertet werden kann

Coupler-Methode: wird eine Glasfaser gebogen, folgt das durchströmende Licht größtenteils der Biegung (bending) - ein Teil des Lichtes strahlt jedoch aus der Faser heraus, schon 2 % des Lichtsignals enthalten alle übertragenen Informationen. Aufgrund der damit unvermeidlich verbundenen Dämpfung grundsätzlich nachweisbar.

Non-touching-Methode - Empfindliche Photodetektoren fangen die minimalen Lichtmengen auf, die auf natürliche Weise seitlich aus dem Kabel strahlen (sog. Rayleigh-Streuung). Das Signal wird dann bis zu einer brauchbaren Amplitude verstärkt. Weder die Leitung noch das Signal wird dabei nennenswert gedämpft. Die Deutsche Telekom hat sich eine ähnliche Methode patentieren lassen, mit der sich Signale aus einer Glasfaser ohne messbare Beeinflussung oder Dämpfung der Glasfaser auffangen lassen (Patent EP0915356 (A1)).

Normen

Die Lichtwellenleiter sind nach DIN 47002, VDE 0888-2, ITU-T G.651 - G.656 und IEC 60793 genormt.

Literatur

Dieter Eberlein: Lichtwellenleiter-Technik. expert verlag, Dresden 2003 ISBN 3-8169-2264-3
Holger Ueker: Moderne Übertragungstechniken. Medien-Institut, Bremen 2004 ISBN 3-932229-72-X
Fedor Mitschke: Glasfasern. Elsevier, Heidelberg 2005 ISBN 3-8274-1629-9

Weblinks

Kommunikationstechnik | Optische Nachrichtentechnik

Gourt Home::Gourt :: Lichtwellenleiter