und wie funktioniert die Lichtwellenleiter-Technik?

Grundlagen
Die Menge der verfügbaren Informationen steigt täglich. Und mit ihnen auch die Anzahl der Personen, die diese Informationen abrufen. Das ist ein weltweiter Prozess, der wohl auch noch eine Weile so weitergehen wird. Durch die Erfindung des World Wide Web (Internet) und dessen hohe Verbreitung steigt der Bandbreitenbedarf weltweit beinahe täglich an. Weitere Anwendungen, die sehr viel Bandbreite benötigen, sind z.B. Video on Demand bzw. interaktives Fernsehen. Dieser hohe Bandbreitenbedarf kann schon seit längerem nicht mehr alleine durch Kupferkabel bewältigt werden. Aus diesem Grund wird immer mehr, vor allem bei Weitverkehrsverbindungen, Lichtwellenleiter (LWL, oder einfach Glasfaser) eingesetzt. Es gibt aber auch noch andere Anwendungsgebiete für Glasfasern.

Historie
LWL bzw. Glasfasern sind keine Erfindung unserer heutigen Zeit. Bereits 1940 gab es den ersten Lichtwellenleiter. Aber erst 1966 wurde vorgeschlagen, Glasfasern für die Datenübertragung zu nutzen. Jedoch hatten damalige Glasfasern einen Dämpfungswert von 1000 dB/km und damit war die mögliche Reichweite nur sehr kurz und an eine sinnvolle Anwendung noch nicht zu denken. Im Jahre 1970 gelang es dann der Firma Corning eine Glasfaser herzustellen, die eine Dämpfung unter 20 dB/km bot. Der Durchbruch kam als es die Firma Sumitomo im Jahre 1979 erstmals schaffte, eine Glasfaser herzustellen, die eine Dämpfung von 0,2 dB/km aufwies. Dieser 1979 erreichte Dämpfungswert ist auch heute noch gültig.

Physikalische Grundlagen
Für die Datenübertragung in der Glasfaser wird Licht verwendet. Es handelt sich hierbei aber nicht um das Licht einer Glühbirne oder um Sonnenlicht.
Licht wird von den meisten Menschen nicht als elektromagnetische Welle angesehen, denn man sieht das Licht ja. Funkwellen (z.B. Radio, Fernsehen) sieht man nicht. Physikalisch gesehen sind beides elektromagnetische Wellen. Der einzige Unterschied zwischen Funkwellen und Licht liegt in der Frequenz. Unser Wechselstrom aus der Steckdose ist auch eine elektromagnetische Welle mit der Frequenz 50 Hz in Europa und 60 Hz in den USA . „Hz“ (Hertz) steht für Schwingungen pro Sekunde. Der als NF (Niederfrequenz) bezeichnete Bereich geht von 0 Hz bis 100 kHz. Hierzu gehört beispielsweise der Frequenzbereich der Sprache. Der HF (Hochfrequenz) Bereich geht von 100 kHz bis 70 MHz. In diesem Frequenzbereich ist das terrestrische Fernsehen, Hörfunk, LW, MW, KW und UKW zu finden. Darüber hinaus bis etwa 6000 GHz liegen die Mikrowellen. In diesem Frequenzbereich ist Richtfunk, Radar und die allgemeine Mikrowellentechnik (bekannt aus der eigenen Küche) zu finden. Über 6000 GHz findet man dann die Röntgen-, Gamma- und kosmische Strahlung, die auch elektromagnetische Wellen sind. Licht weist eine Frequenz von etwa 0,1 Millionen GHz bis 10 Millionen GHz auf. Das sind sehr große Zahlen, die schwer zu handhaben sind. Daher hat man sich darauf verständigt, stattdessen die Wellenlänge zu verwenden. Das hat sich in der Optik allgemein durchgesetzt. Die Umrechnung zwischen Wellenlänge und Frequenz geschieht mit folgender Formel:

Hieraus lässt sich leicht folgende Gesetzmäßigkeit erkennen:
Je höher die Frequenz, umso kleiner die Wellenlänge.

Das sichtbare Licht der Farbe „rot“ hat beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 635 - 650 nm.
Die Datenübertragung in der Glasfaser erfolgt typischerweise bei den Wellenlängen 850 nm, 1300/1310 nm und 1550 nm (im infraroten Bereich). Für spezielle Anwendungen wie WDM oder DWDM (Densed Wave Division Multiplexing) können auch mehrere Wellenlängen gleichzeitig genutzt werden.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts liegt im Vakuum bei ca. 300.000 km/s (auch als c0 abgekürzt). Im Wasser liegt die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei etwa 225.000 km/s, in Glas bei etwa 200.000 km/s. Die Verringerung der Geschwindigkeit ist in der Brechzahl der Materialien begründet. Wasser weist eine Brechzahl von 1,33 auf, Glas etwa 1,5.

Die Brechzahl ist der entscheidende Faktor, der dafür sorgt, dass das Licht in der Glasfaser geleitet werden kann. Selbst wenn die Glasfaser nicht ganz gerade verlegt ist, was in der Realität meistens ohnehin nicht realisierbar ist.

Die Brechzahl spielt besonders dann eine Rolle, wenn zwei Materialien mit unterschiedlichen optischen Dichten aufeinander treffen. Sie kennen diesen Effekt auch aus dem täglichen Leben. Denken Sie an einen Teich in dem ein Fisch schwimmt. Wenn Sie am Ufer stehen, sehen Sie den Fisch. Versuchen Sie ihn zu ergreifen (so wie Sie ihn sehen), werden Sie an ihm vorbei greifen. Dieser Effekt wurde schon 1792 erkannt und von Snellius in einer Formel ausgedrückt:

Am besten lässt sich dieser Effekt in einer Skizze verdeutlichen:

Mit dieser Formel lässt sich der Winkel ermitteln, ab dem die Totalreflexion auftritt. Dabei wirkt der Übergang zwischen zwei optischen Medien wie ein Spiegel. Dieser Effekt der Totalreflexion ist verantwortlich dafür, dass das Licht in der Glasfaser bleibt und nicht irgendwohin verschwindet. Die Glasfaser verhält sich dann wie ein von innen verspiegeltes Rohr. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten ergibt sich für die Glasfaser der so genannte Akzeptanzwinkel. Innerhalb des Akzeptanzwinkels muss Licht in die Glasfaser eingekoppelt werden, damit die Totalreflexion wirksam wird. Man spricht dabei auch von der Numerischer Apertur ( der stumpfe Kegel innerhalb dessen das Licht auf das Faserende auftreffen muss). Die Numerische Apertur wird durch den Akzeptanzwinkel bestimmt, jedoch nicht im Zentrum sondern am Übergang zwischen Faserkern und Fasermantel.

Glasfaserarten
Es gibt verschiedene Arten von Glasfasern. Sie unterscheiden sich im verwendeten Material und im Anwendungszweck. Umgangssprachlich hat sich der Begriff „Glasfaser“ eingebürgert. Das hat natürlich nichts mit Fensterglas zu tun. Stellen Sie sich eine Fensterscheibe mit mehreren Metern Dicke vor. Sie würden nichts mehr dahinter erkennen. Das für die typische Glasfaser verwendete Material ist ein extrem durchsichtiges Quarzglas.
Es gibt auch sogenannte POF-Fasern (Plastic Optical Fiber) oder HCS-Fasern (Hard-Cladded-Silica), die nicht mit Glas sondern mit Kunststofffasern arbeiten. Die vorher aufgezeigten physikalischen Gesetze und Regeln gelten hier genauso. Lediglich das Anwendungsgebiet variiert. POF-Fasern werden hauptsächlich in Autos für die Kommunikation und Beleuchtung eingesetzt. HCS hauptsächlich in der verarbeitenden Industrie. In der Industrie geht man immer mehr dazu über, auch die weit verbreitete „Standard“-Glasfaser zu verwenden. Die „normale“, am weitesten verbreitete Glasfaser wird für die Telekommunikation im WAN (Wide Area Network) und MAN-Bereich (Metropolitan Area Network, also in Stadtnetzen) eingesetzt, oder aber auch für die Verbindung mehrerer Gebäude innerhalb eines Campus sowie die Verbindung mehrerer Etagen. Dort werden meist Multimode (Mehrmoden) und/oder Singlemode/Monomode (Einmoden) Glasfasern eingesetzt. Der augenscheinlichste Unterschied zwischen Multimode- und Singlemode-Fasern ist der Kerndurchmesser. Wie der Name schon sagt werden mit Multimode-Fasern mehrere Moden und mit Singlemode-Fasern nur eine Mode übertragen. Auch wenn es physikalisch nicht ganz richtig ist, ist es doch einfacher, sich die Moden als einzelne Lichtstrahlen vorzustellen. Weiter unten mehr dazu.

Aufbau der Glasfaser
Ich beschränke mich hier auf die in der Netzwerk-/Weitverkehrstechnik gängigen Typen. Auf POFFasern (Plastic Optical Fiber) gehe ich nicht näher ein, wobei deren Aufbau einem Multimode-Lichtwellenleiter mit Stufenindex-Profil ähnelt. Lediglich die Durchmesser und die verwendeten Materialien unterscheiden sich.

Wie man sehen kann, werden viele Moden („Lichtstrahlen“) übertragen. Je nachdem in welchem Winkel der „Lichtstrahl“ eingekoppelt wird, benötigt er bei gleicher Faserlänge mehr oder weniger Zeit als ein anderer „Lichtstrahl“. Das führt zu einer Verbreiterung des Ausgangssignals. Dieser Effekt wird auch Modendispersion genannt und beschränkt die maximal mögliche Übertragungsrate bei einer bestimmten Länge. Das Bandbreiten-Längen-Produkt (im Kabeldatenblatt zu finden) beschreibt diesen durch die Modendispersion entstehenden Grenzwert. Multimode-Fasern mit Stufenindex-Profil sind nur noch in der Industrie zu finden.

Das ist die „Standard“-Glasfaser, wie sie zum Beispiel in herkömmlichen Firmen-Netzwerken verwendet wird. Wie man am Ausgangssignal sehen kann, ist der Effekt der Dispersion nach wie vor vorhanden, jedoch deutlich geringer als beim Stufenindex-Profil. Die Brechzahl im Kern ändert sich in Schichten kontinuierlich. Man kann sich die Schichten wie bei einer Zwiebel vorstellen.

Diese Glasfaser wird vorzugsweise in Weitverkehrsnetzen (z.B. bei der Telekom) sowie in Stadtnetzen und Backbone-Verkabelungen eingesetzt. In letzter Zeit sieht man häufiger, dass entlang den Autobahnen Kabel verlegt werden. Das ist meistens ebenfalls dieser Kabeltyp. Häufig liest man auch in den Datenblättern der Fasern einen Kerndurchmesser von 8,7 μm. Diese Fasern gehören zum gleichen Typ wie 9 μm Fasern und können auch gemischt miteinander verwendet werden. Der Unterschied von 0,3 μm im Durchmesser hat einen so geringen Effekt, dass er vernachlässigt werden kann.

Weiterer Aufbau
Bisher wurde der Aufbau der reinen Glasfaser beschrieben. Da Glas alleine aber sehr leicht bricht, sind zusätzliche Schutzschichten und ein Mantel auf die Glasfaser aufgebracht. Zuallererst befindet sich unmittelbar auf der Faser das sogenannte Coating. Beim Coating handelt es sich um eine dünne Kunststoffschicht. Mit dieser Kunststoffschicht erhält die Glasfaser eine gewisse Zähigkeit und kann gebogen werden, ohne abzubrechen. Trotzdem muss ein gewisser Mindestbiegeradius eingehalten werden.
Man findet manchmal bei Fasern die Angabe 50/125/250. Es handel sich dann um eine Fasern mit dem Kerndurchmesser 50 μm, Fasermanteldurchmesser 125 μm und Coatingdurchmesser 250 μm. Das Coating ist direkt auf jede Glasfaser aufgebracht. Bei LWL-Patchkabel befindet sich die Glasfaser nochmals in einer zusätzlichen Umhüllung, mit der sie nicht fest verbunden ist.

Behinderungen bei der Datenübertragung in Glasfasern
Es gibt verschiedene Faktoren, die die Übertragung von Daten behindern können. Im wesentlichen sind das die Dämpfung und die verschiedenen Dispersionsarten. Je nachdem welcher der obigen Fasertypen verwendet wird, wirken sich die verschiedenen „Behinderungen“ unterschiedlich stark aus bzw. stören unterschiedlich stark.

Dämpfung
Die Dämpfung ist der wichtigste und am meisten beachtete Parameter bei Glasfaserstrecken. Was viele nicht wissen: Die Glasfaser weist eine von der Wellenlänge abhängige Dämpfung auf. Der Dämpfungsverlauf über der Wellenlänge sieht folgendermaßen aus:

Für die Datenübertragung im Netzwerk werden die “Fenster” mit den geringsten Dämpfungswerten verwendet. Sie sind bei den Wellenlängen 850 nm, 1300 nm und 1550 nm anzufinden. Dieser Dämpfungsverlauf gilt für alle auf Quarzglas basierenden Glasfasern. Bei POF (Plastic Optical Fiber) sieht dieser Dämpfungsverlauf anders aus. Dort liegt der optimale Übertragungsbereich bei etwa 635 bis 650 nm.
Generell ist es auch möglich, 850 nm über Singlemode-Glasfaser zu übertragen. Üblich ist es jedoch bei Multimode-Glasfasern die Wellenlängen 850 nm und 1300 nm, bei Singlemode-Glasfasern 1310 nm und 1550 nm zur Datenübertragung zu verwenden. Die Angabe 1300 nm und 1310 nm dient nur zur besseren Unterscheidung.
Man kann sich jetzt fragen, warum nicht nur 1550 nm mit der geringsten Dämpfung für die Übertragung verwendet wird. Der Grund liegt in der Historie und bei den für die verschiedenen Wellenlängen verwendeten Komponenten. Zuerst hat man die technisch einfacher zu realisierenden Komponenten entwickelt, die bei 850 nm arbeiten.
Bei Multimode werden LEDs (Light Emitting Diode) und bei Singlemode LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) in den Sendemodulen der Geräte eingesetzt. LASER sind deutlich aufwendiger und damit teurer. Daher rührt auch der Preisunterschied bei den Geräten.
Es gibt Bestrebungen, auch den Wellenlängenbereich zwischen 1300 nm und 1550 nm durch ein besonderes Herstellungsverfahren nutzbar zu machen. Bisher hat das nur die Firma Lucent mit der Allwave Faser erreicht. Dadurch ist ein größerer Bereich für z.B. DWDM (Densed Wave Length Division Multiplexing) verfügbar, so dass noch mehr Kanäle (= Wellenlängen) für die simultane Datenübertragung verwendet werden können.

Dispersion
Die Dispersion ist die Streuung eines Signals in der Glasfaser durch unterschiedliche Laufzeiten. Das Signal verbreitert sich, so dass der Impuls mehr Zeit benötigt. Je länger die Strecke ist, umso breiter wird das Ausgangssignal. Gleichzeitig nimmt die Amplitude des Signals ab, da die eingekoppelte Lichtenergie sich über einen größeren Zeitbereich verteilt.

Für Einzelimpulse spielt dieser Effekt keine Rolle, da der Empfänger nur diesen einzelnen Impuls erkennen muss. Steigt jedoch die Übertragungs-geschwindigkeit und damit die Anzahl der Lichtimpulse pro Zeiteinheit (typischerweise pro Sekunde) kann es zu Überlappungen der einzelnen Signale kommen.
An den Überschneidungen addieren sich die Energien. Ab einer gewissen Geschwindigkeit (Datenrate) “verwischen” die Lichtimpulse. Der Empfänger kann die beiden Lichtimpulse nicht mehr voneinander unterscheiden und interpretiert das Ergebnis als einen einzigen, langen Impuls. Es kommt zu Übertragungsfehlern oder sogar zum Zusammenbruch der Übertragung.

Es gibt verschiedene Dispersionsarten. Die wichtigsten in der Reihenfolge der Gewichtung sind:

□Modendispersion – Diese tritt nur in Multimode-Glasfasern auf, bei denen mehrere “Lichtstrahlen” für die Übertragung verwendet werden. Der Einfluß der Modendispersion auf das Signal ist so groß, dass alle anderen Dispersionsarten im Vergleich dazu vernachlässigt werden können.

□Chromatische Dispersion (CD) – Wie der Name schon sagt (chroma: griechisch für Farbe), handelt es sich um die Laufzeitunterschiede der verschiedenen Farben. Der Begriff “Farbe” ist natürlich etwas abstrakter zu sehen. Gemeint ist die Wellenlänge.
Es wurde festgestellt, dass verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Laufzeiten in einer Glasfaser aufweisen. Ein LASER für Singlemode sendet nicht nur exakt auf 1550nm sondern weist ein endliches Spektrum auf. Das heisst: ein Teil der Lichtenergie wird z.B. auf 1549,9nm und ein anderer Teil auf 1550,1nm übertragen. Damit kommt es zu den verschiedenen “Farben”.
Die Chromatische Dispersion ist die dominante Dispersionsart bei der Datenübertragung über Singlemode-Glasfasern.

□Polarisationsmoden Dispersion (PD) – hat den kleinsten Anteil bei den genannten Dispersionsarten und kann meist vernachlässigt werden. Beim Licht handelt es sich um elektromagnetische Wellen. Eine elektromagnetische Welle schwingt und breitet sich dabei in der horizontalen Ebene als auch in der vertikalen Ebene aus.
Eine ideale Glasfaser hat einen runden Kern. Tatsächlich schwankt aber nicht nur der Durchmesser, sondern auch der Querschnitt ist meistens leicht elliptisch. Man kann sich gut vorstellen, dass die Lichtwelle dadurch in horizontaler Richtung stärker behindert (abgebremst) wird, als in vertikaler Richtung. Diese Behinderung resultiert in Laufzeitunterschieden zwischen den Wellen der beiden Schwingungsebenen.

Sämtliche genannten Dispersionsarten sind Materialeigenschaften. Sie sind normalerweise in den Kabeldatenblättern zu finden. Theoretisch ist bei geeigneter Verlegung die Auswirkung der Polarisationsmoden Dispersion (PD) in geringem Maße beeinflussbar. Praktisch kann aber der Einfluß der Verlegung komplett vernachlässigt werden. Die Dispersionseffekte sind natürlich insbesondere bei Weitverkehrsverbindungen unerwünscht.
Es gibt daher spezielle Fasern, die den Dispersionseffekt umkehren. Praktisch wird hierzu nach circa 80 km ein Stück von etwa 1 km einer so genannten Dispersion Shifted Fiber (DSF) oder Nonzero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) in die Leitung eingespleisst. Der Nachteil ist jedoch, dass diese Spezialfasern recht teuer sind und eine höhere Dämpfung als die „Standard“-Fasern aufweisen.
Zusätzlich sind bei Weitverkehrsverbindungen nach etwa 60 km Verstärker notwendig, die das Lichtsignal verstärken oder sogar die übertragenen Lichtimpulse neu formen.

© mit freundlicher Genehmigung der Black Box Deutschland GmbH