Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 9

Lichtwellenleiter als Übertragungsmedien

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Das Übertragungsmedium

Für das eigentliche Übertragungsmedium gibt es eine Vielzahl von meist unpräzisen Bezeichnungen: Glasfaser, Lichtleiter, Lichtleitfaser, Lichtwellenleiter und viele mehr. In englischsprachiger Literatur wird der Lichtwellenleiter (LWL) häufig als „optical fiber“ bezeichnet. Prinzipiell besteht ein LWL aus einer dünnen zylindrischen Faser aus Quarzglas, es gibt aber auch welche aus Plastik. Der Kern der Faser weist einen größeren Brechungsindex (Brechzahl n1) auf als der Mantel (Brechzahl n2).

Die Weiterleitung der Lichtwellen in einem LWL beruht auf dem Prinzip der Totalreflexion an Grenzschichten zwischen Materialien unterschiedlicher optischer Dichte. Ein Lichtstrahl wird hierbei total reflektiert, falls gilt: cos g > n2 /n1. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird der Strahl durch weitere Totalreflexion im LWL gehalten. Ebenso wie bei herkömmlichen Leitern treten beim LWL Dämpfungsverluste bei der Übertragung von Signalen auf. Diese Verluste sind jedoch, unter bestimmten Voraussetzungen, nicht so stark wie bei elektrischen Leitern. Somit lassen sich vergleichsweise lange Distanzen ohne zusätzliche Verstärkung überbrücken.

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Wichtige Kenngrößen

Ein wichtiges Maß zur Klassifizierung der Übertragungsleistung eines Lichtwellenleiters stellt das sog. Bandbreiten-Längenprodukt bzw. Bitraten-Längenprodukt dar, da es für jeden Fasertyp annähernd konstant ist. Es gibt an, welche Datenraten bei gegebener Leitungslänge in der Faser übertragen werden können, bzw. welche maximale Leitungslänge von einer Faser bei vorgegebener Datenrate verkraftet wird.

Lichtwellenleiter lassen sich anhand der Anzahl der geführten Wellen sowie der Art des Brechungsverlaufs unterscheiden. Im Kern eines Lichtwellenleiters breiten sich Lichtanteile unterschiedlicher Einstrahlungswinkel aus. Die Strahlen, die hierbei durch häufige Reflexion an der Grenzschicht Kern/Mantel einen längeren Weg in der Faser zurücklegen, werden auch als Strahlen hohen Modes bezeichnet, Strahlen, die nahe entlang der Faserachse geführt werden, als Strahlen niedrigen Modes. Tragen bei einem Lichtwellenleiter mehrere Moden zur Signalübertragung bei, werden sie auch als Multimodefasern bezeichnet.

Multimodefasern sind gekennzeichnet durch einen relativ großen Kerndurchmesser, so dass bei Lichtquellen mit großem Abstrahlwinkel wie z.B. Lumineszenzdioden mehrere Moden innerhalb der Faser ausbreitungsfähig sind und somit eine hinreichend große Lichtleistung in die Faser eingekoppelt werden kann.

Leider haben diese Fasern auch einen großen Nachteil: da die Lichtgeschwindigkeit auch in der Faser eine Konstante ist, benötigt das Licht, welches mehr oder weniger im Zick-Zack durch die Faser läuft, mehr Zeit als das Licht, das entlang der optischen Achse läuft. Man hat keinen Einfluss darauf, wie die Verteilung der Elemente eines Impulses, der auf einer Glasfaser übertragen werden soll, auf diese unterschiedlichen Ausbreitungsmoden ausfällt.

Durch die unterschiedlichen Laufzeiten kann es zu erheblichen Impulsverformungen kommen, die sich letztlich in einer Senkung der erzielbaren Datenrate niederschlägt, die durch die Anzahl der in einer Zeiteinheit aufeinander folgenden Impulse gekennzeichnet ist. Verformte Impulse werden einfach breiter und man muss entsprechende Pausen lassen, da sich die Impulse sonst mischen und es zu Übertragungsfehlern kommt.

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