Lichtwellenleiter (LWL)


Auf dieser Seite soll (im Gegensatz zu den meisten meiner anderen Seiten) insbesondere ein kurzer Einblick in die Welt der Lichtwellenleiter - hier insbesondere der Theorie - erfolgen.

Anmerkung zu den Bildern: Die Lichtausbreitung ist stark übertrieben dargestellt und soll lediglich die Auswirkungen der unterschiedlichen Fasernarten verdeutlichen.


Grundlegendes

Mit Lichtwellenleitern (LWL) kann Licht über weite Strecken (fast) störungsfrei übertragen werden, wobei das Licht der Richtung des Mediums folgt, d.h. auch um Kurven etc.
Physikalisch betrachtet sind LWL Hohlleiter (wie auch jede Wasserleitung ;-)
Lichtwellenleiter kann man in mehrere Kategorien einteilen , wie z.B.

nach dem Verwendungszweck:

Die reine Licht- und Bildübertragung wird z.B. in dekorativen Lampen, flexiblen Beleuchtungseinrichtungen (z.B. für die sogenannte Knopflochoperation) eingesetzt.
Die Informationsübertragung kann mit einer sehr großen Bandbreite erfolgen. Neben niederfrequenten Anwendungen (z.B. galvanisch getrennte Regelgrößenübertragung, reine Telefonie) werden Lichtwellenleiter insbesondere für hochfrequente Anwendungen benutzt (z.B. Netzwerke, Fernsehsignal-Übertragung, Datenübertragung).

nach dem Material:

Plastik-Fasern werden vielfach für relativ flexible (unempfindliche) und billige Anwendungen benutzt.
Glas-Fasern dagegen werden hauptsächlich für hochwertige Aufgaben benutzt, sind aber materialbedingt etwas empfindlicher gegenüber Beschädigungen.
Neben reinen Glas- oder Plastik-Fasern gibt es auch noch Glasfasern mit einem speziellen Glas-/Plastik-Mantel (siehe weiter unten).

nach der Licht-(Moden-)Ausbreitung:

Im Folgenden wird, wie Allgemein üblich, für Monomode die Abkürzung "SM" (Singlemode) zur Unterscheidung von Multimode (MM) benutzt.

Diese Einteilung wird im Prinzip nur für die höherfrequenten Anwendungen benutzt.
Die sogenannte "Mode 0" bezeichnet die Ausbreitung des Lichtes parallel zur Achse des Mediums (d.h. ohne Reflexion). Je öfter die Welle (bei einer bestimmten Entfernung) reflektiert wird (Totalreflexion), umso höher ist auch die Mode (Lösung einer Wellengleichung). Begrenzt werden die Moden durch den sogenannten Grenzwinkel, d.h. ab diesem Reflexionswinkel wird das Licht nicht in den Kern zurückreflektiert, sondern in den Mantel gebrochen und somit "verschluckt".

Lichtwellenleiter sind unter anderem nach DIN 47002 und VDE 0888-2 genormt.

Im nachfolgenden werden ausschließlich Lichtwellenleiter für Netzwerkanwendungen betrachtet!

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Aufbau der Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter bestehen aus mindestens drei Schichten:

Der Kerndurchmesser ist relativ klein (9..500μm).
Der Mantel hat normalerweise einen Durchmesser von 100..580μm. Er hat einen um (mindestens) eine Stufe geringeren Brechungsindex als der Kern.
Der Schutzmantel (auch sekundärer Mantel genannt) dient neben dem Lichtschutz (Störlicht von außen) vor allem dem Schutz vor mechanischen Einflüssen - z.B. auch gegen Nagetiere.
Hochwertige Lichtwellenleiter werden auch orange eingefärbt (LSOH - Low Smoke Zero Halogen = halogen- bzw. PVC-frei, schwer und raucharm brennend. LWL funktionieren auch im Brandfall durch den hohen Schmelzpunkt des Glases über einen längeren Zeitraum noch).

Multimode-Faser (MMF) Monomode-Faser (SMF)
MMF-Aufbau SMF-Aufbau

 
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Typen von Glasfaser-Kabeln

Im Laufe der Zeit haben sich die LWL bedingt durch den technischen Fortschritt weiterentwickelt.
Dementsprechend konnten auch die Übertragungsgeschwindigkeiten (ähnlich wie bei den Kupfer-Kabeln) erhöht werden.
Das eingesetzte Licht kann prinzipiell eine Wellenläange von ca. 250nm bis weit über 1600nm haben.
Kurzwelliges ultraviolettes Licht verursacht mit der Zeit eine Eintrübung des Glases (Solarisation), wodurch dann das Kabel regelmäßig ausgestauscht werden muß.
In Spezialfällen werden Erbium-dotierte Lichtwellenleiter für optische Verstärker verwendet, die ein über Glasfasern übertragene Lichtsignal verstärken können, ohne es zuvor in ein elektrisches Signal zu wandeln.

Multimode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil (MMF-S)

Dieser Typ ist der älteste und am einfachesten herzustellende Lichtwellenleiter.
Sein Kern hat in der Regel einen Durchmesser von 50 bzw. 62,5μm.
Der Mantel hat normalerweise einen Durchmesser von 125μm.
Der Schutzmantel besteht zumindest aus einer Lackschicht von 150 bis 500μm Dicke (Schutz vor Feuchtigkeit). Zusätzlich ist dann noch eine Gummi- oder Plaste-Schicht aufgebracht - vielfach durch Glas- oder Kevlar-Fasern verstärkt.
In der Regel wird Licht mit einer Wellenlänge von 850nm (10Base-FL) oder teilweise 1300nm (100Base-FX) verwendet.
Nachteilig wirkt sich bei diesem LWL-Typ aus, das der Lichtpuls bei größeren Entfernungen durch die unterschieldlichen Laufzeiten der Moden verzerrt wird (Moden-Dispersion) und so die Übertragungsgeschwindigkeit begrenzt.
Als Sender kommen relativ preiswerte Leuchtdioden (LED) zum Einsatz.
Für den Einsatz im 1000Base-SX-Bereich werden allerdings spezielle Laser-LEDs benötigt.
Im WAN-Bereich (10GBase-LX) wird eine Wellenlänge von 1550nm (ebenfalls mit teuren Laser-LEDs) benutzt (da hier das absolute Minimum im spektralen Dämpfungsverlauf besteht).

Multimode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil
Step MMF

Multimode-Glasfaser mit Gradientenindex-Profil (MMF-G)

Um die Moden-Dispersion zu verringern wurden diese speziellen LWL entwickelt, die erst mit Hilfe moderner Beschichtungs- und Fertigungstechnologien möglich wurden.
Die Glasfaser wird dabei mit Hilfe von Ablagerungen von Germanium-Schichten auf der Ziehform (die so eine spezielle Dotierung im Glas erzeugt) hergestellt.
Während das Licht in einem Stufen-Index-LWL eine relativ gleichmäßige Geschwindigkeit hat (ca. 200000km/s - also wesentlich unterhalb der Lichtgeschwindigkeit), sieht das bei einem Gradienten-Index-LWL etwas anders aus:
In der Kernmitte ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit geringer als am Kernrand (in der Nähe des Mantels).
Da dort der Weg des Lichtes größer ist, aber auch die Geschwindigkeit des Lichts, treffen sich die einzelnen Moden in etwa dem gleichen Zeitpunkt wieder. Das Licht wird also nicht reflektiert, sondern verlaufen auf gekrümmten Bahnen.
Zur vollständigen Kompensation des Laufzeiteffekts wäre zum Einen ein sehr gleichmäßig gefertigtes Glas notwendig (gegen die Wellen-Dispersion) als auch eine wirklich homogene Lichtquelle (gegen die chromatische Dispersion) notwendig. Da dies in der Regel kaum möglich ist, tritt auch hier eine - wenn auch wesentlich geringere - Signalverformung auf.
Die Durchmesser von Kern, Mantel und Schutzmantel entsprechen denen des Stufen-Index-Profil-LWL. Ebenso die eingesetzten Wellenlängen.
Auf Grund der höheren Kosten werden diese LWL meist erst ab 1000Base eingesetzt (sie sind aber weiterhin abwärtskompatibel).

Man könnte bei diesem LWL-Typ also auch von einem LWL mit Gleitsichtbrille sprechen ;-)

Multimode-Glasfaser mit Gradientenindex-Profil
Gradient MMF

Monomode-Glasfaser (SMF)

Der Kern dieses LWL-Typs ist nur ca. 9μm dick. Dadurch (und in z.Zt. wenigen Spezialfällen teilweise auch durch Gradienten-Index-Fertigung) wird das Licht nicht (mehr) an der Kern-Mantel-Übergangsschicht reflektiert, sondern breitet sich nur geradlinig aus.
Im Wesentlichen wird die Reichweite durch die Material-Dispersion begrenzt und somit entspricht das Ausgangssignal fast dem Eingangssignal.
Damit paralelles und möglichst homogenes Licht benutzt werden kann, sind bei diesem LWL-Typ Laser-LEDs unverzichtbar (Wellenlänge 1300nm oder 1550nm).
Von Nachteil sind insbesondere die wesentlich höheren Kosten bei der Verlegung / Verarbeitung, aber auch bei den eingesetzten Übertragungs-Elementen.
Bei Monomode-LWL tritt vor allem die Material-Dispersion zu Tage, bei der durch die nicht gleichmäßige Materialstuktur trotzdem geringfügige Laufzeitunterschiede (in Verbindung mit dem trotz Laser-LED gewissen Frequenzspektrums) auftreten.

Monomode-Glasfaser
SMF

Lichtwellenleiter aus Plastik

Solche LWLs (Plastic Optical Fiber) werden überwiegend als Stufen-Index-LWL gefertigt.
Die Fertigungskosten sind gegenüber den Glas-LWL wesentlich geringer. Da durch die wesentlich schlechtere optische Qualität auch wesentlich geringere Reichweiten bedingt sind, werden diese LWL in der Regel nur im SOHO-Bereich und für kurze Distanzen eingesetzt.

Sonderformen von Lichtwellenleitern

Für Patchkabel werden häufig LWL mit Glaskern, aber einem Plastik-Mantel (Hard Polymer Clad Fiber im SOHO-Bereich) oder einem dünnen Glasmantel (100μm) mit zusätzlicher Plastik-Beschichtung (125μm - etwa gleichem Brechungsindex) benutzt.
Vorteil ist hierbei der wesentlich geringere Knickradius (bis unter 2cm).

Bei älteren Multimode-Gradienten-Index-LWL ist der Verlauf des Brechungsindex nicht optimal, sondern um die Mittelachse herum ist ein gegensätzlicher Verlauf zu verzeichnen ("Einkerbung").
Um den dadurch verursachten Effekt (Differential Mode Delay, siehe auch in IEEE 802.3z) zu verringern und so die effektive Reichweite trotzdem zu erreichen sind zwei verschiedene Lösungen entwickelt worden.
Bei 1000Base-SX wurde lediglich die Spezifikation / Anforderungen an Ausgangsleistung sowie der Eingangsempfindlichkeit und Jitter-Kompensation (Jitter Budget) angepaßt.
Bei 1000Base-LX dagegen wurden sogenannte Offset-Mode-Conditioning-Pach-Cable eingeführt. Das Licht wird in ein SMF-Kabel eingespeist (Mode 0), welches über ein Ausgleichsstück nicht in das Zentrum, sondern in den Randbereich des MMF-Kabels (hier herrscht ein gleichmäßigerer Brechungsindexverlauf) eingespeist wird (Versatz-Spleiß).
Dieser Patch wirkt aber nur auf der Transmitterseite des Kabels! (Der entsprechende Stecker ist deshalb blau statt grau gefärbt)
 

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Verwendungsbeispiele für unterschiedliche Lichtwellenleitertypen

Lichtwellenleiter werden entsprechend ihrem Aufbau (bzw. besser des Durchmessers von Kern und Mantel) benannt, also z.B. 9/125μm, 62,5/125μm etc.
(Dies ist nicht Kabelbezeichnung, sondern nur die Fasern-Kurzbezeichnung einer einzelnen Faser. Die Kabelbezeichnung ist wesentlich komplexer und soll hier nicht näher erläutert werden.)

StandardFaserWellenlängemax. ReichweiteFasertyp
10Base-F62,5/125μm850nm2000mMMF
100Base-FX62,5/125μm1300nm2000mMMF
1000Base-SX62,5/125μm850nm220mMMF
1000Base-SX50/125μm850nm550mMMF
1000Base-LX62,5/125μm1300nm440mMMF
1000Base-LX50/125μm1300nm550mMMF
1000Base-LX9/125μm1300nm5000mSMF
10GBase-SX62,5/125μm850nm300mMMF
10GBase-LX9/100μm1300nm10000mSMF
10GBase-LX462,5/125μm850nm300mMMF
10GBase-LX410/125μm850nm10000mSMF
10GBase-LX49/100μm1550nm40000mSMF
SDH9/100μm1550nm40000mSMF
SDH62,5/125μm1300nm2000mMMF
SDHPlastic Optical Fiber 50mMMF
SDHHard Polymer Clad Fiber 100mMMF

Anmerkung: SDH = Synchronous Digital Hierarchy, bezeichnet das Zusammenfassen
von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom (Multiplex-Technik).
(STM-1 ca. 155Mbps bis STM-64 ca. 9953Mbps. STM - Synchronous Transport Module)


 
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Auswahl der wichtigsten Stecker-Typen

Die am häufigsten verwendeten Stecker-Typen heißen ST, SC, MT-RJ und VF-45.
ST- und SC-Stecker sind im Fast Ethernet Standard definiert, die anderen sind Industrie-Entwicklungen, die sich mehr oder weniger durchgesetzt haben.

ST (Simplex Tip)

ST-Stecker (IEC 874-10) sind die ältesten Stecker und werden wie BNC-Stecker durch einen Bajonett-Verschluß gesichert. Da diese Stecker als Simplex-Stecker ausgelegt sind, sind immer zwei Stück je Verbindung notwendig (Duplex-ST).
Nachteilig wirkt sich hier aus, daß insbesondere in Patchfeldern das Drehen des Bajonett-Verschlusses durch die Packungsdichte schwierig ist und zum Anderen ein Vertauschen von Sende- und Empfangs-Seite leicht möglich ist.

SC (Simplex Connect)

SC-Stecker (IEC 874-19) sind ebenfalls Simplex-Stecker, werden jedoch im Allgemeinen als mechanisch verbundenes Paar gebaut (Duplex-SC). Außerdem wird eine Rast-Sicherung (Push-Pull) eingesetzt, die dadurch eine Vertauschsicherung darstellt und einen reproduzierbaren Steckvorgang sichern.
Auch dieser Steckertyp nimmt relativ viel Platz ein und außerdem ist die Konfektion (wie auch bei ST-Steckern) sehr zeitaufwändig und wird in der Regel von speziell ausgebildeten Technikern durchgeführt.

MT-RJ

Das unter Federführung der Fa. AMP entwickelte Mini-Steckersystem hat etwa die Größe eines RJ-45-Steckersystems (daher auch die Bezeichnung, MT = Mass Termination wegen der Zweifaser-Mini-MT-Ferrule).
Theoretisch lassen sich vier Fasern unterbringen, im Normalfall werden jedoch nur zwei bestückt.
Das Konfektionieren ist zwar ähnlich umfangreich wie bei ST-/SC-Steckern, jedoch vereinfacht ein spezieller Werkzeugsatz den Aufwand erheblich.

VF-45 (Volition)

Das Volition-Stecksystem von 3M geht einen anderen Weg, bei dem man ohne Ferrulen für die Ausrichtung auskommt.
Durch eine spezielle V-Nut werden die gegenüberliegenden Faserenden exakt ausgerichtet und durch eine leichte Verbiegung der Faser fest und optisch sicher verbunden.
Durch den Wegfall der Ferrulen-Verklebung und durch einen speziellen Werkzeugsatz ist die Konfektion sehr einfach durchführbar. Durch die spezielle Snap-In-Technik lassen sich die Stecker (in denen jeweils ein Fasernpaar Platz findet) einfach und schnell zusammenbauen.
Die Größe der VF-45-Buchsen entspricht der der RJ-45-Buchsen und können so in vorhandenen Patchfeldern ohne Umbau eingesetzt werden.
 

E2000

Dieser Steckertyp der Fa. Diamond SA, der immer häufiger eingesetzt wird, zeichnet sich vor allem durch sein vielseitiges Kennzeichnungs-/Kodier-System aus, welches die Übersicht in engen Patchfeldern erleichtert.
Es sind sowohl Einzel- als auch Duplex-Stecker verfügbar. Die Größe entspricht etwa dem VF-45-Steckersystem.

FDDI-MIC (Media Interface Connector)

Dieser Steckertyp wird in FDDI-Ringen eingesetzt und enthält im Gehäuse zwei Fasern. Der Stecker hat eine Rastmechanik, die ihn fest mit der Buchse verbindet. Seit der (internationalen) Standardisierung (ISO 9314-3) wird dieses Stecksystem auch in Europa immer häufiger eingesetzt. Die Größe entspricht etwa einem RJ-45-Stecker.

LC

Dieser Stecker der Fa. Lucent wurde als Alternative zu den Steckersystemen MT-RJ und VF-45 entwickelt und wird bei Neuinstallationen auch immer häufiger eingesetzt. Als Einzelfasersystem entspricht es in der Größe etwa den MT-RJ- bzw. VF-45-Steckern.

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Stecker-Kurzübersicht

(Kurzübersicht der am h&auuml;figsten in Europa verwendeten) LWL-Stecker
SteckerSTSCMT-RJVF-45E2000FDDI-MICLC
NetzwerkLANLAN/WANLANLANLAN/WANLAN/WANLAN
Einfüge-Dämpfung SMF/MMF≤0,15/≤0,2dB≤0,1/≤0,2dB≤0,1/≤0,2dB≤0,1/≤0,2dB≤0,1/≤0,2dB≤0,1/≤0,15dB≤0,1/≤0,15dB
FerruleMetall, KeramikMetall, KeramikKeramik, KunststoffohneKeramikKeramikMetall, Keramik, Kunststoff
Steck-Zyklen≥2000≥2000≥1000≥500≥1000≥2000≥1000
Alle obengenannten Stecker haben einen Verdrehschutz und sind für SMF und MMF geeignet.

Ähnlich wie bei Kupferkabel-Netzwerken gibt es noch weitere Kenngrößen zu beachten und Grenzwerte einzuhalten, wie z.B. die maximalen optischen Dämpfungsverluste auf Glasfaserverbindungen nach DIN EN 50173.

Es gibt noch weitere Steckersysteme, die sich aber in Deutschland / Europa nicht durchsetzen konnten.
Weitere Systeme sind in der Entwicklung.

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