LwL (Lichtwellenleiter)

FO (fiber optics)

Der Lichtwellenleiter (LwL) ist in DIN 47002 und VDE 0888 genormt und besagt, dass es sich um einen Leiter handelt, in dem moduliertes Licht übertragen wird. Der LwL kann aus Glasfaser oder Kunststoff bestehen und zeichnet sich u.a. durch seine extrem hohe Übertragungsrate aus, die bis zu mehreren Milliarden bit/s betragen kann. Die Übertragungstechnik auf Lichtwellenleitern basiert auf einer Intensitätsmodulation, die in Form einer Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation erfolgt. Eine Erhöhung der Übertragungskapazität ist durch die Modulation unterschiedlicher Lichtwellenlängen möglich. Des Weiteren sind Lichtwellenleiter unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, weitestgehend abhörsicher und haben, wenn sie aus Glas bestehen, extrem geringe Dämpfungswerte.

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Der Aufbau von Lichtwellenleitern.

Aufbau von Lichtwellenleitern

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Dem Aufbau nach besteht ein Glasfaser-Lichtwellenleiter aus einem zylindrischem Kernglas, einem ihn umgebenden Mantel und der Beschichtung. Optisches Kernglas und optisches Mantelglas sind aus hochreinem Quarzglas mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Bei allen Quarz/Quarz-Fasern sind Kern- und Mantelglas mechanisch nicht trennbar miteinander verbunden. Dabei wird die Struktur bereits bei der Herstellung vor dem Faserziehen festgelegt. Die äußere Beschichtung, die Primärbeschichtung, bildet eine mechanisch widerstandsfähige Schutzschicht. Sie ist umgeben von der Sekundärbeschichtung, die nicht zwangsläufig mit der Glasfaser verbunden ist. Neben den genannten Typen gibt es auch Lichtwellenleiter in denen das Licht in Luft, anstelle des Kerglases, übertragen wird. Bei diesen Glasfasern handelt es sich um Hollow-Core-Fasern.

LwL mit verschiedenen Moden

Im Kern eines Lichtwellenleiters mit Kernglas breiten sich Lichtanteile unterschiedlicher Einstrahlungswinkel aus. Damit ein Lichtstrahl im Kern überhaupt geführt werden kann, muss er an den Grenzfläche zwischen Kernglas und Mantelglas reflektiert werden. Und zwar immer zum Kernglas hin. Eine solche Reflexion erfolgt nur, wenn der Brechungsindex des Kernglases größer ist als der des Mantelglases und wenn der Einkopplungswinkel des Lichtes auf die Faserstirnfläche kleiner ist als der maximale Akzeptanzwinkel. Dabei entstehen durch häufige Reflexion an der Grenzschicht zwischen Kernglas und Mantelglas Lichtwellen unterschiedlicher Laufzeit, sogenannte Moden. Lichtwellen, die einen längeren Weg in der Faser zurücklegen, werden auch als Lichtstrahlen hoher Mode bezeichnet, Lichtwellen, die nahe entlang der Faserachse geführt werden, als Strahlen niedriger Mode.

Lichtwellenleiter mit verschiedenen Moden.

Aufbau und Brechungsprofil der Monomodefaser

Tragen bei einem Lichtwellenleiter mehrere Moden zur Signalübertragung bei, werden sie auch als Multimodefasern bezeichnet. Lichtwellenleiter, bei denen durch einen sehr kleinen Kerndurchmesser (etwa 5 µm bis 10 µm) lediglich eine Mode durchgelassen wird, werden als Monomodefaser bezeichnet.

Aufbau und Brechungsprofil der Stufenindex-Profilfaser

Bei Multimodefasern kann man noch eine weitere Unterscheidung in Bezug auf die Art des Brechungszahlverlaufes innerhalb der Faser machen. Man unterscheidet zwischen Stufenindex- und Gradientenfasern. Bei Stufenfasern besitzen Kernglas und Mantelglas einen festen Brechungsindex, die Dichten der jeweiligen Materialien sind jeweils konstant.

Aufbau und Brechungsprofil der Gradientenfaser

Die Gradientenfaser weist einen parabolischen Brechzahlverlauf im Kern auf. Unterschiedlich laufende Strahlen in einer Stufenfaser legen unterschiedlich weite Wege in der Glasfaser zurück. Da bei einer solchen Faser die Phasengeschwindigkeit der Strahlen konstant ist, haben die verschieden transportierten Strahlen auch unterschiedliche Laufzeiten.

Die Auswirkungen der Dispersion führen insbesondere bei großen Medienlängen bzw. hohen Datenraten zu einer sehr starken Veränderung des Ausgangssignals bezogen auf das Eingangssignal. Um die entstehenden Laufzeitunterschiede zu umgehen, wurde die Gradientenfaser konzipiert. Es handelt sich hierbei um eine Multimodefaser mit einem parabolischen Brechzahlverlauf im Kern. In diesen Fasern ist die Strahlbahn der Moden nicht mehr geradlinig, sondern nahezu sinusförmig. Gängige zum Teil genormte Fasern (z.B. durch ITU, Deutsche Norm VDE 0888) verfügen über einen Kerndurchmesser von 50 µm, 62,5 µm, 85 µm bei einem Manteldurchmesser von 125 µm.

Klassifizierung von Lichtwellenleitern.

Übertragungsraten von Lichtwellenleitern in Abhängigkeit von der Entfernung

Damit Lichtwellenleiter für Gigabit-Ethernet, 10-Gigabit-Ethernet und 100-Gigabit-Ethernet eingesetzt werden können, wird die Qualität von Lichtwellenleitern klassifiziert, ähnlich den Class-Spezifikationen von Kupferkabeln. Der Entwurf von ISO/IEC qualifiziert Gradientenfasern in vier OM-Klassen, die OM1, OM2, OM3 und OM4 heißen und Monomodefasern in einer OS-Klasse: OS1. Innerhalb der Klassen unterscheidet man bei der Einspeisung zwischen Leuchtdiode und Laserdiode. So hat OM3 eine Bandbreite von 2.000 MHz x km bei 850 nm Wellenlänge, OM4 ist für 100-Gigabit-Ethernet geeignet.

Lichtwellenleiter können durch lösbare und feste Verbindungen miteinander verbunden werden. Mittels LwL-Steckern kann eine lösbare Verbindung von zwei Fasern hergestellt werden, mittels Spleiß eine nichtlösbare, die sich durch geringste Dämpfungswerte auszeichnet.