Monomodefaser

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Lichtwellenleiter

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

• als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Telekommunikationsverfahren (Glasfaserkabel),
• zur Übertragung von Energie: Lichtleitkabel für Laserstrahlung zur Materialbearbeitung und in der Medizin,
• für Beleuchtungs- und Abbildungszwecke: Mikroskopbeleuchtungen, Endoskope, Dekoration sowie
• in der Messtechnik, z. B. bei Infrarotthermometern und Spektrometern

zum Einsatz.

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

Aufbau und Funktionsweise

Lichtweg (gelb gepunktet mit blauem Hintergrund) in einer Multimode-Glasfaser

Glasfaserkabel bestehen aus hochtransparenten Glasfasern (meist aus reinstem Kieselglas, chemisch Siliziumdioxid), die mit einem Glas niedrigerer Brechungszahl 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.

50/125-µm-Multimodekabel mit SC-Duplex-Steckern

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 (was jedoch in der Praxis für die Übertragungsreichweite völlig unbedeutend ist) und ermöglichen Reichweiten bis zu mehreren Kilometer (auch abhängig von der Leistung des Senders und Empfindlichkeit des Empfängers). Die höheren Reichweiten werden jedoch nicht nur mit mehr Leistung erreicht, sondern es muss ein hoher technischer Aufwand betrieben werden, um die einzelnen Lichtpulse in hochkomplexer Weise zu formen. Diese spezielle Formung berücksichtigt die Modendispersion (Laufzeitunterschiede der einzelnen Lichtstrahlen).

Auch die dickeren Lichtwellenleiter für Hochleistungs-Laser (hier muss die Leistungsdichte im Kern der Faser reduziert werden, da der sonst zerschmolzen oder zerrissen würde) oder für Beleuchtungs- (hier ist ein Singlemode-Betrieb aufgrund der vielen unterschiedlichen Wellenlängen die gleichzeitig übertragen werden müssen nicht möglich) und Messzwecke (da hier oft kurze Strecken zwischen Detektor und Prüfling vorliegen und die Handhabung einfacher ist, z. B. Strahleinkopplung) sind vom Prinzip her Multimode-Fasern.

Mono- bzw. Singlemode

Hauptartikel: Singlemode-Faser

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 9 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 (1625 nm jedoch nicht so häufig im Gebrauch) bestimmt, da bei diesen Wellenlängen die EDFAs (Erbium-doped Fiber Amplifier, Erbium-dotierte Faser-Verstärker) betrieben werden und - was weit wichtiger ist - dort deren Dämpfungsminimum liegt. Zwar ist die Dispersion bei diesen Wellenlängen ungleich Null, deren Effekt kann aber durch dispersionskompensierende Fasern reduziert werden. 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.

Water-Peaks

Frequenzabhängigkeit der Lichtdämpfung durch Water-Peaks

Fasern absorbieren Wasser. Die OH^--Gruppen weisen Absorptionsmaxima bei 950 nm, 1380 nm und 2730 nm auf, die Water-Peaks. Einfache Fasern werden deshalb zwischen den Maxima bei 850 nm, 1310 nm oder 1550 nm betrieben.

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 nm und 1550 nm Daten übertragen werden, da diese Fasern wasserfrei hergestellt werden.

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.

Aufbau einer LWL-Übertragungsstrecke

Die Übertragungsstrecke besteht aus:

• einem optischen Sender,
• einem Glasfaserkabel, ggf. mit Repeatern (Nachverstärkung und Signalregeneration) und
• einem optischen 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 (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 sind:

• optische Sender: LEDs oder Laserdioden (häufig VCSEL),
• optische Empfänger: PIN-Dioden oder Avalanche-Dioden (APD),
• als Sender, Zwischenverstärker bei langen Strecken oder Empfängerverstärker: optische Verstärker, z. B. EDFA
• optische Filter bei Wellenlängenmultiplex sowie
• optische Schalter bei Zeitmultiplex.

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. Bei FTTH (Fiber to the Home) werden die Kabel mit Durchmesser 2.0 mm in die schon Vorhandenen Telefonanschlusskanälen (Elektrokanälen) verlegt.

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 – wie z. B. 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 heute LC (engl. local connector) (MAN, WAN) und SC (engl. subscriber connector) (LAN). Von älteren Installationen sind auch noch ST (engl. straight tip) und E-2000 (MAN, WAN) weit verbreitet.

ST-Stecker

• ST: Diese Stecker (auch als BFOC-Stecker bekannt) sind in LANs sehr verbreitet. Geeignet ist dieser Stecker für Monomode- und Multimode-Glasfaserkabel, wobei er hauptsächlich bei Multimode – Anwendungen verwendet wird. 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.

SC-Stecker

• 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-Technik – d. h. der Stecker verriegelt sich automatisch beim Einstecken und entriegelt sich beim Abziehen (Vergleich: ST = Bajonett-Verschluss). Dadurch lassen sich Duplexstecker erstellen (zwei Stecker, verbunden durch einen Duplex-Clip) und Duplex-Verbindungen gleichzeitig stecken und abziehen.

LC-Stecker

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

E2000-Stecker

• E2000: 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 sogenannte 0,1-dB-Stecker mit einer garantierten Dämpfung von max. 0,1 dB angeboten.

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

• MIC-Stecker sind sehr groß, nehmen zwei Fasern auf (Duplex) und werden fast ausschließlich in FDDI-Netzen verwendet. Sie sind vertauschungssicher und bieten die Möglichkeit Codierungen zur Unterscheidung verschiedener Links anzubringen.
• MTRJ-Stecker nehmen ebenfalls zwei Fasern auf, die Übergänge sind jedoch in einem gemeinsamen Kunststoffblock eingebettet, der die Form eines RJ-45-Steckers hat. Diese Bauform verhindert ebenfalls das Vertauschen der Hin- und Rückleiter, ist sehr einfach zu stecken und wieder zu entriegeln und ermöglicht hohe Packungsdichten auf Patchfeldern und Switchports. Der Stecker ist für Monomode- und für Multimodefasern geeignet.

MTRJ-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.

Glasfasermuffe

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.

Anwendung der Lichtwellenleiter

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:

• 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 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.

Weitere Anwendungen

Potentialgetrennte Signalübertragung

Glasfaserkabel werden zur stromlosen Signalübertragung eingesetzt, z. B.

• bei Leistungselektronik- und Hochspannungs-Anlagen, um Steuersignale z. B. zu den auf Hochspannungspotential befindlichen Thyristoren zu übertragen. Es ist sogar möglich, die Stromrichterthyristoren direkt über die in der Glasfaser übertragenen Lichtpulse zu zünden (siehe Optothyristor).
• zur Übertragung von Messsignalen in Hochspannungsanlagen oder in störender Umgebung
• in Audio-Anlagen, um Signalstörungen durch Masseschleifen zu vermeiden
• zur galvanisch getrennten Netzwerkanbindung von medizinischen Geräten (z. B. digitales Röntgengerät) an lokale Netzwerke.

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:

• verschiedene Temperaturen entlang der Faser führen zu auswertbaren optischen Beeinflussungen (Rayleigh- und Raman-Rückstreuung) – es können ortsaufgelöst Temperaturen bestimmt werden (Faseroptische Temperaturmessung,engl. distributed temperature sensor, DTS).
• in Laser-Gyroskopen wird eine aufgewickelte Faser als Sensor für die Winkelgeschwindigkeit verwendet.

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:

• 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 und einem Filterrad beleuchtet

Vor- und Nachteile von Lichtwellenleitern

Vorteile

• hohe Übertragungsraten (Gigabit- bis Terabit-Bereich, selbst in alten Installationen)
• sehr große Reichweiten durch geringe Dämpfung (bis mehrere hundert Kilometer)
• kein Nebensprechen (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
• Keine Brandauslösung durch parasitäre elektrische Ströme (z. B. Blitz, Kurzschluss) möglich
• Geringere Brandlast im Vergleich zu Kupferkabeln durch kleineren Bedarf an Isolierung und geringere Wärmeentwicklung
• Hohe Abhörsicherheit

Nachteile

• hoher Konfektionierungsaufwand (Installation durch Spezialfirmen)
• Schwachstelle Steckertechnik (Verschmutzung, Justage)
• relativ empfindlich gegenüber mechanischer Belastung
• teure Gerätetechnik
• aufwendige und komplexe Messtechnik
• nicht einfach zu verlegen: Bei starker Krümmung kann die Faser im Kabel brechen
• über einen LWL können Geräte nicht mit Strom versorgt werden, Power over Ethernet ist also nicht möglich
• analoge Signale können nicht übertragen werden. Beispielsweise kann die letzte Meile eines DSL Anschlusses nicht über LWL realisiert werden.

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 0,03 dB, gute Spleiße liegen sogar unter 0,02 dB. 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 der Faser strahlen (sog. Rayleigh-Streuung). Das Signal wird dann bis zu einer brauchbaren Stärke verstärkt. Weder die Leitung noch das Signal werden 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 (B1)).

Normen

Die Lichtwellenleiter sind nach VDE 0888-2, ITU-T G.651 bis G.657 und IEC 60793 genormt.

Literatur

Physikalische Grundlagen

• Fedor Mitschke: Glasfasern : Physik und Technologie. Elsevier, Spektrum, Akad. Verlag, Heidelberg 2005, ISBN 3-8274-1629-9
• Govind P. Agrawal: Nonlinear Fiber Optics (Optics and Photonics). Academic Press, ISBN 0-12-045143-3
• Dieter Meschede: Optik, Licht und Laser. Teubner, ISBN 3519132486

Technik

• 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
• Christoph P. Wrobel: Optische Übertragungstechnik in der Praxis: Komponenten, Installation, Anwendungen. Hüthig, Bonn 2004, ISBN 3-8266-5040-9

Weblinks

• Glasfaserinfo.de
• MultiMediaModul Lichtwellenleiter
• Weltrekorde der Datenübertragung
• Optische Telekommunikation: Grenzen des Wachstums?