Das erste optoelektronische Lichtwellenleiter-System hat der Physiker Manfred Börner, Mitarbeiter des Unternehmens AEG-Telefunken, vor 50 Jahren zum Patent angemeldet.

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Datenübertragung Daten unterwegs auf dem Licht-Highway

04.10.2016

Wo Kupferkabel schlapp machen, beherrschen Lichtwellenleiter die Reichweiten und Übertragungsraten, wie sie die moderne Datenübertragung fordert.

Das erste optoelektronische Lichtwellenleiter-System hat der Physiker Manfred Börner, Mitarbeiter des Unternehmens AEG-Telefunken, vor 50 Jahren zum Patent angemeldet. Es bestand aus Laserdioden, Glasfasern und Photodioden. Das von ihm vorgeschlagene Systemprinzip findet noch heute Anwendung und ist Grundlage für alle Weitverkehrs-Übertragungssysteme. Der erste Lichtwellenleiter, der in der Lage war, Signale auch über eine längere Strecke zu übertragen, wurde 1970 von dem US-amerikanischen Unternehmen Corning produziert. In Deutschland setzte die Deutsche Bundespost 1978 erstmals eine Glasfaser-Verbindung über eine Strecke von 4 Kilometern ein.

In den Folgejahren erhöhte sich die Übertragung von Datenmengen, Übertragungsstrecken und Datenraten kontinuierlich. So übertrug die British Telecom 1985 erstmals Signale ohne Zwischenverstärkung über eine Strecke von 250 Kilometern. 2009 wurde ein neuer Weltrekord aufgestellt: AT&T, NEC und Corning übertrugen über eine Strecke von 580 Kilometern 320 Kanäle mit einer Datenrate von jeweils 114 GBit/s und erzielten so eine Datenübertragungsrate von insgesamt 32 TBit/s. Theoretisch lassen sich sogar Raten von 100 TBit/s erzielen.

Heutzutage haben sich Lichtwellenleiter so etabliert, dass sie als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Kommunikationssysteme, in der Medizintechnik, im Gebäudebeleuchtungsbereich oder in der Messtechnik nicht mehr wegzudenken sind.

Lichtwellenleiter (LWL) ist ein Sammelbegriff für alle lichtübertragenden Leitungen. Die optischen Übertragungsmedien dienen der Datenübermittlung durch Licht sowie Lichtsignale über weite Strecken im ultravioletten oder infraroten Bereich.

Definition und Aufbau

Lichtteilchen (Photonen) in den Leitern wandern per Reflexion von einem Ende zum anderen und sorgen für die optische Datenübertragung. Ein Vorteil ist die verstärkerlose Übertragung der Signale mit hoher Bandbreite und das über große Entfernungen. LWL bestehen vereinfacht dargestellt aus einem Kern (Faser), aus einem diesen umhüllenden Mantel (Cladding) und einer Primärbeschichtung (Primär-Coating) zum Schutz des Mantels, wobei die Faser (Glas-, Kunststofffaser) den zentralen Bereich darstellt und zur wellenförmigen Führung des Lichts dient. Das Fasermaterial weist einen höheren Brechungsindex als der schützende Mantel auf. Das dielektrische Material des Mantels, mit dem niedrigeren Brechungsindex, enthält keine metallischen Anteile und ist somit nichtleitend. Die an den Wänden (Grenzschicht zwischen Mantel und Faser) stattfindende Reflexion leitet das Licht nahezu verlustfrei um jede Rundung oder Kurve. Hierbei gilt, je größer die Faser, desto steifer der LWL; und je kleiner die Faser, desto höher die Übertragungsrate.

Übertragung per LWL

Zum Schutz vor äußeren Einflüssen erhalten LWL-Fasern eine primäre Schutzschicht, die direkt bei der Fertigung aufgebracht wird. Da das Primär-Coating für die vollständige Sicherheit der Fasern nicht ausreicht, werden diese mit einer zusätzlichen Schutzhülle versehen, dem Sekundär-Coating. Bei der Hohlader werden die primär geschützten Fasern von einem Kunststoffröhrchen umgeben, so dass zwischen Faser und Röhrchen ein Hohlraum verbleibt und die Fasern frei liegen; mitunter wird der Zwischenraum mit wasserabweisendem Gel aufgefüllt. Im Gegensatz zur Vollader, hier wird das Sekundär-Coating direkt auf das Primär-Coating aufgebracht. Sogenannte Breakoutkabel bestehen aus mehreren Einzelkabeln mit einer gemeinsamen Umhüllung. Ziel der Verkabelung ist der Schutz vor Zugkräften, Querdruckkräften, Dehnung, Abrieb, geringe Biegeradien, Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen oder Chemikalien.

Vereinfacht dargestellt besteht eine Übertragungsstrecke aus mindestens drei Komponenten: Dem Sender (zum Beispiel eine LED), dem LWL selbst und dem Empfänger (zum Beispiel eine Fotodiode mit einem nachgeschalteten Verstärker). Elektrische Signale werden in optische gewandelt, die Einspeisung in den LWL erfolgt und beim Empfänger wird der Lichtimpuls wiederum in elektrische Ausgangssignale umgewandelt. Auf längeren Strecken sorgt ein zusätzlicher Repeater für die Auffrischung des Signals, wobei der Abstand der Repeater abhängig vom LWL-Typ ist.

Verschiedene Arten der Reflektion

Analog zu den kundenspezifischen Anforderungen werden Material und Brechungsindex des LWL angepasst, da nicht jeder Typ für alle Anwendungen einsetzbar ist. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Arten:

  • Multimode (MM)/Stufenindex: der einfachste Typ, der das Licht scharf (steil) reflektiert. Je steiler der Einfallswinkel des Lichts bei der Einspeisung in den LWL, desto häufiger werden die Lichtwellen (Moden) reflektiert. Mit jeder Reflektion der Lichtwelle verlängert sich der Weg der Moden (Dispersion). Einsatzgebiete sind oft kurze Verbindungen.

  • Multimode (MM)/Gradientenindex: Dabei wird das Licht in leichten Bögen reflektiert. Die Reflexion des Lichts verringert sich abhängig vom Eintrittswinkel. Steile Moden legen einen längeren Weg zurück und werden deshalb mehr gedämpft als die flachen, inneren Moden. Idealerweise gleichen sich die Laufzeitunterschiede trotz verschiedener Eintrittswinkel wieder aus. Die hohe Bandbreite mit geringer Modendispersion findet ihren Einsatz häufig in Verbindungen von Gebäuden oder Etagen.

  • Singlemode (SM)/Stufenindex: Auch hierbei erfolgt eine scharfe Reflektion, begründet durch den geringen Durchmesser sind die Stufen aber um einiges kleiner. Die Lichtwellen bewegen sich entlang der Faserachse, hier findet nur eine sehr geringe Dispersion statt. Dieser Typ ist ideal sowohl für große Distanzen als auch hohe Datenraten.

Peripherie um LWL

Um eine Anbindung an einen LWL zu realisieren stehen vielfältige Möglichkeiten zur Auswahl. Eine umfangreiche Gruppe stellen Steckverbinder, als lösbare Verbindung zwischen den Fasern, dar. Der F-SMA Stecker ist der älteste LWL-Steckverbinder, er wurde bereits in den 1970-er Jahren für den Telekommunikationsbereich hergestellt. Jedoch sind Standardprodukte gerade im LWL-Bereich eher selten, da spezielle, also kundenspezifische Lösungen im Vordergrund stehen. Optimale Unterstützung bietet dabei ein Allrounder, der sowohl kundenspezifische wie auch Standard-Produkte, Dienstleistungen sowie Geräte im Programm hat.

W+P Optronics bietet auf diesem Gebiet ein breites Portfolio, aufgeteilt in die Produktgruppen Steckverbinder, GOF(Glas optische Faser)- und POF(Polymer optische Faser)-Kabel, Pigtails, Patchkabel, Interfaces sowie Sender und Empfänger. Ergänzt werden diese durch Werkzeuge wie auch LWL-Zubehör. Zudem veranstaltet das Unternehmen adäquate Schulungen und versendet darüber hinaus Newsletter zu aktuellen LWL-Themen. Außerdem werden Dienstleistungen rund um die Glasfaser angeboten, zum Beispiel Montage und Konfektionierung vor Ort.

Bildergalerie

  • LWL-St-Patchkabel Indoor mit Keramikferrule.

    Bild: W+P Optronics

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