Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 9 Lichtwellenleiter als Übertragungsmedien

Autor / Redakteur: Dr Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Die höchste heute normierte Übertragungsleistung auf metallischen Leitern beträgt 10 Gbit/s. auf einer Distanz von maximal 100 Metern bei 10 GBASE-T, einer Ethernet-Variante. Möchte man weiter, schneller oder sicherer übertragen, bietet sich der Lichtwellenleiter an.

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Optische Übertragungsmedien garantieren höchste Datenraten über weite Strecken
Optische Übertragungsmedien garantieren höchste Datenraten über weite Strecken
( Archiv: Vogel Business Media )

Die optische Übertragungstechnologie zeichnet sich durch einige Eigenschaften aus, die für ein Netz von besonderer Bedeutung sind. Zurzeit entwickelt sich die Lichtleiter-Technologie zur generellen Übertragungstechnik der Zukunft. Offen ist lediglich die Frage, welchen Stellenwert diese Technologie auf der Gebäude-Etage und im Arbeitsplatzbereich haben wird. Im Geländebereich und bei öffentlichen Netzen ist die Lichtleitertechnologie heute ohne Konkurrenz.

Die wesentlichen Vorteile optischer Übertragungstechnik sind hohe verfügbare Bandbreite, die prinzipiell bis in den Multigigabit- bzw. in den Terabit-Bereich reicht, und geringe (annähernd frequenzunabhängige) Signaldämpfung für die Überbrückung großer Distanzen zwischen aktiven Netzkomponenten, Störsicherheit und Abhörsicherheit. Lichtwellenleiter strahlen so gut wie kein Licht an die Umgebung ab und sind lediglich mit Spezialeinrichtungen abhörbar.

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Nachteilig sind allerdings etwas höheren Kosten für Verbindungen. Teilt man allerdings die Kosten durch die mögliche Datenrate, sind optische Wege sehr preiswert, Endgeräte können diese hohen Datenraten jedoch heute noch nicht nutzen. Der Aufbau eines optischen Übertragungssystems unterscheidet sich nicht wesentlich von einer konventionellen Sender-Empfänger-Anlage mit elektrischen Komponenten.

Das zu übertragende (elektrische) Signal wird zur Übertragung aufbereitet (codiert) und einem elektro-optischen Wandler zugeführt. Hierbei ändert sich die Strahlung der zugehörigen Lichtquelle zeitlich entsprechend der Signalquelle. Die generierten Lichtimpulse werden in einen Lichtwellenleiter (LWL) eingekoppelt und dort bis zu einem Strahlungsempfänger geführt, der die optischen Signale wieder in elektrische Signale umwandelt. Nach einer eventuell erforderlichen Regenerierung und Verstärkung kann das Signal vom Empfänger decodiert und ausgewertet werden.

Wunsch und Wirklichkeit

Die Wunschvorstellung einer punktförmigen Lichtquelle mit paralleler Abstrahlung einer einzigen Wellenlänge sowie ein verlustloses Ein- und Auskoppeln von Licht in bzw. aus dem Lichtwellenleiter kann allerdings technisch nicht realisiert werden.

Vielmehr erzeugen die Strahlungsquellen Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge. Darüber hinaus treten Dämpfungsverluste sowohl beim Einkoppeln als auch innerhalb der Lichtwellenleiter auf. Ein wichtiger Aspekt bei optischen Systemen ist daher die Anpassung der einzelnen Komponenten aneinander.

Die Dämpfung eines Lichtwellenleiters ist wie bei allen anderen Leitern frequenzabhängig (Wellenlänge des Lichtes), in völligem Gegensatz zu anderen Leitern ist die Dämpfung über die Wellenlänge jedoch nicht linear oder irgendwie exponentiell steigend oder fallend, sondern es gibt vielmehr in Abhängigkeit vom verwendeten Material ausgeprägte Dämpfungsminima und -maxima.

Erstere sind natürlich prädestiniert für die Nachrichtenübertragung, so dass sich die Festlegung des Wellenlängenbereiches für die Übertragung danach richtet. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von so genannten Fenstern, die für die uns interessierenden Komponenten bei 850, 1.310 und 1.550 nm liegen. Damit ist also durchaus nicht jede Strahlungsquelle für ein optisches Übertragungssystem geeignet. In optischen Datenübertragungssystemen werden daher in der Regel Halbleiter-Strahlungsquellen eingesetzt, und zwar Lumineszenz- und Laserdioden.

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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.

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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Störquelle Modendispersion

Diesen Effekt nennt man auch Modendispersion oder intermodale Dispersion. Sie ist bei einfachen optischen Systemen die dominierende Dispersionsform. Andere Dispersionsmöglichkeiten sollen in diesem Rahmen nicht behandelt werden.

Bei Multimodefasern kann man noch eine weitere Unterscheidung in Bezug auf die Art des Brechungszahlverlaufes innerhalb der Faser machen: Man unterscheidet Stufenprofil- und Gradientenprofilfasern.

Bei Stufenprofilfasern besitzen Kern und Mantel eine feste Brechzahl, die Dichten der jeweiligen Materialien sind konstant. Die Gradientenprofilfaser weist dagegen einen parabolischen Brechzahlverlauf im Kern auf. Man senkt damit die Modendispersion deutlich, weil es zu Ausgleichseffekten hinsichtlich der Laufzeit unterschiedlicher Moden kommt. Die Gradientenindexprofilfaser ist heute die z.B. in LANs am häufigsten verwendete Faser. Sie ist in einfachen Formen bis zu 1 Gigabit/s. auf einer Distanz von bis zu 300 m brauchbar, ganz neue Fasern schaffen sogar das Zehnfache.

Monomodefasern

Lichtwellenleiter, bei denen durch einen sehr kleinen Kerndurchmesser (etwa 5-10 µm) lediglich ein Mode, der quasi die Achse des Kerns darstellt, durchgelassen wird, werden als Monomodefaser bezeichnet. Monomodefasern stellen höhere Anforderungen an die einzusetzende Strahlungsquelle, da praktisch nur ein Mode eingekoppelt werden kann.

Aus diesem Grund kommen hier ausschließlich Laser-Dioden als Sender zum Einsatz. Monomodefasern sind zudem teurer in Herstellung, Verlegung und wegen der erforderlichen Präzision auch komplizierter anzuschließen. Allerdings kann sich der Aufwand lohnen: der Rekord für die Übertragung auf Monomodefasern steht seit Mitte 2002 bei über 10 Terabit/s. (!!!) über eine Distanz von 100 km – ohne Zwischenverstärker wohl gemerkt. Doch diese Leistung wird sicherlich nicht in allen Fällen benötigt.