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LICHTWELLENLEITER
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LICHTWELLENLEITER
Inhalt
DispersionsAbsorption
kompensation
Abstrahlfläche
DSF-Faser
Abstreifkabel
Akzeptanzwinkel Einblasen
EinfügungsApertur
dämpfung
Aramidgarn
Bandbreitenlängen-Einkopplungswinkel
Farbcode
produkt
Fehlinkel
Beschichtung
Fresnelverluste
Beugung
Fusions-Spleiß
Biegebelastung
Gammafaktor
Biegeradius
Gradientenindex
Blindader
GradientenindexBrechung
Profilfaser
Brechzahl
Grenzstrahl
Bündelader
Grenzwellenlänge
Cleaver
Grenzwinkel
Crimp-Spleiß
GruppenChromatische
geschwindigkeit
Dispersion
Dämpfungsbudget HCS-Plastikfaser
Hohlader
DCF-Faser
Kernglas
Dispersion
Klebespleiß
Impressum:
Herausgeber: Klaus Lipinski
Copyrigt 2005
DATACOM-Buchverlag GmbH
84378 Dietersburg
Alle Rechte vorbehalten
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Kompaktader
Krümmungsradius
Leckwellen
Lichtabsorption
LwL
LwL-Adern
LwL-Außenkabel
LwL-Innenkabel
LwL-Kabel
Materialdispersion
Mie-Streuung
Moden
Modendispersion
Multimodefaser
NDSF-Faser
New Fiber
Numerische
Apertur
NZDSF-Faser
OM-Klasse
Optischer Mantel
Optisches Fenster
OS-Klasse
PCF-Faser
Plastikfaser
POF-Faser
Primärbeschichtung
Profil
Profildispersion
Quarzglas
Rayleigh-Streuung
Rückstreuung
SekundärBeschichtung
SMF, single mode
fiber
Spleiß
Streuung
Stützelement
StufenindexProfilfaser
Vollader
Wellenleiterdispersion
Zugelement
Zugentlastung
Zugfestigkeit
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Absorption
absorption
In der optischen Übertragungstechnik ist die Absorption das Verhältnis von dem Licht
das in einen Lichtwellenleiter eingespeist wurde, zu dem Licht das dieser
aufgesogen hat. Für diese im Lichtwellenleiter stattfindende Energie-Entnahme sind
Molekülstrukturen im Glas verantwortlich.
Die Absorption in einem Lichtwellenleiter ist im Wesentlichen auf zwei Faktoren
zurückzuführen, nämlich auf die molekulare Struktur des Basismaterials und auf
mögliche Verunreinigungen des Faserkerns. Bedingt durch die Molekularstruktur
des Lichtwellenleiters entstehen Resonanzen, die bei entsprechenden Frequenzen
eine höhere Dämpfung durch Absorption verursachen. Die Folge davon sind
ausgeprägte Resonanzstellen, die als optische Fenster für Übertragungszwecke
genutzt werden.
Abstrahlfläche
emitting area
Halbleiterstrahlungsquellen, die Licht in Lichtwellenleiter abgeben sollen, haben zu
diesem Zweck eine Abstrahlfläche. Für die im Infrarotbereich verwendeten
Strahlungsquellen, wie Leuchtdioden (LED) und Laserdioden (LD), ist der
Durchmesser dieser Abstrahlflächen 50 bis 100 µm bei der LED und ca. 5 µm bei der
Laserdiode.
Abstreifkabel
wiper cable
In einem Lichtwellenleiter ist nicht nur der eigentliche Kern transparent, sondern
auch die erste ihn umhüllende Schicht, die Mantel genannt wird. Wird
Infrarotstrahlung in den Lichtwellenleiter eingespeist, so trifft die Strahlung nicht nur
den Kern, sondern auch den Mantel. Obwohl diese Mantelmoden den Betrieb kaum
stören, da sie schon nach etwa 15 bis 30 m durch die relativ hohe Dämpfung im
Mantel und durch Austritt aus dem Mantel verloren gehen, stören sie Messungen an
Lichtwellenleiterkabeln empfindlich. Dafür werden Mantelmoden-Abstreifkabel
verwendet.
Akzeptanzwinkel
acceptance angle
Der maximale Einfallswinkel, in dem Licht von einer externen Strahlungsquelle oder
einem Medium aufgenommen werden kann. Dieser Einfallswinkel, der als
Akzeptanzwinkel bezeichnet wird, ist für die Lichtwellenreflexion an der Grenzschicht
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Akzeptanzwinkel bei
Lichtwellenleitern
Apertur
aperture
Aramidgarn
aramid fiber
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zwischen Kernglas und Mantelglas und
somit für die Lichtwellenübertragung im
Lichtwellenleiter entscheidend. Tritt ein
Lichtstrahl mit einem zu großen
Einfallswinkel in einen Lichtwellenleiter,
dann erfolgt an der Grenzschicht
zwischen Kernglas und Mantelglas keine
Totalreflexion mehr, das bedeutet, dass
Lichtstrahlen in das Mantelglas eintreten und damit für die Übertragung verloren
sind. Einen solchen Einfallswinkel bezeichnet man mit Grenzwinkel. Typische Werte
für eine Stufenindex-Profilfaser liegen bei 11,5 Grad bis 17,5 Grad. Der Sinus des
Akzeptanzwinkels ist die numerische Apertur.
Unter Apertur versteht man das Aufnahmevermögen der Stirnfläche bei der
Lichteinkopplung in einen Lichtwellenleiter bzw. bei der Linsenkopplung die
Öffnungsbreite der Linse. Die von einer Lichtquelle in einen Lichtwellenleiter
gelangenden Strahlen werden nur dann im Lichtwellenleiter übertragen, wenn der
Einfallswinkel unterhalb des Akzeptanzwinkels liegt. Strahlen, die einen
Einfallswinkel haben, der größer ist, werden zum Mantelglas gebrochen und stehen
somit nicht für die Übertragung zur Verfügung. Der Aperturwinkel ist der Winkel, mit
dem die nutzbaren Randstrahlen noch übertragen werden. Der Sinus dieses
Winkels wird als numerische Apertur bezeichnet.
Werden in einer Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke Fasern mit unterschiedlicher
numerischer Apertur zusammengefügt, dann sollte die sendende Faser eine kleinere
oder die gleiche Apertur und den gleichen bzw. einen kleineren Kerndurchmesser
haben, als die empfangende. Bei größerer Apertur oder bei größerem
Kerndurchmesser der sendenden Faser geht ein Teil der Lichtenergie verloren.
Wegen des außerordentlich geringen Durchmessers und der damit verbundenen
geringen mechanischen Belastbarkeit werden Lichtwellenleiter im Allgemeinen in
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Bündeln zusammengefasst. Mehrere Lichtwellenleiter, jeder
umgeben von einer lichtundurchlässigen Aderhülle, werden
um einen mechanisch stabilen, voll dielektrischen, dicken Kern
gruppiert und anschließend, bevor die äußere Umhüllung
aufgebracht wird, mit einem Geflecht von Kevlar-AramidFasern umgarnt.
Aramidgarn
Bandbreitenlängenprodukt
bandwidth length product
Beschichtung
coating
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Das Produkt aus Bandbreite und Länge ist der entscheidende Parameter von
Übertragungsmedien zur Bestimmung der Frequenz- und Längenrestriktionen.
Generell kann dieser Wert für metallische und optische Übertragungsmedien
ermittelt werden. In der Praxis wird das Bandbreitenlängenprodukt aber
ausschließlich für Lichtwellenleiter angegeben, da diese für größere Entfernungen
eingesetzt werden.
Das Bandbreitenlängenprodukt (Bandbreite in MHz, Länge in km) ist abhängig vom
Fasertyp und der Wellenlänge des eingespeisten Lichts und wird bestimmt durch
die Moden- und Materialdispersion.
Das Bandbreitenlängenprodukt ist der reziproke Wert der Modendispersion. Beträgt
die Modendispersion im Falle einer Gradientenindex-Profilfaser beispielsweise 2,5
ns/km, dann ist das Bandbreitenlängenprodukt 400 MHz x km. Das bedeutet, dass
man 400 MHz über 1 km, 800 MHz über 500 m oder 1 GHz über 400 m übertragen
kann. Nach diesen Entfernungen muss das Signal wieder verstärkt werden.
Typische Werte für das Bandbreitenlängenprodukt für Multimodefasern liegen bei
200 MHz x km für eine Lichtquelle mit 850 nm Wellenlänge und bei 500 MHz x km
für eine Lichtquelle
mit 1.300 nm
Wellenlänge. Im
Rahmen der
Ethernet-Techniken
wie Gigabit-Ethernet und 10-GigabitITWissen.info
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Ethernet wurden neue, wesentlich reinere Gradientenindex-Fasern entwickelt, die
New Fiber, die bei 850 nm Bandbreitenlängenprodukte von bis zu 10 GHz x km
aufweisen.
Beugung
diffraction
Bei Lichtwellenleitern handelt es sich um die auf der Oberfläche des transparenten
Mantelglases eines Lichtwellenleiters aufgebrachte Kunststoffschicht. Diese dünne
Schicht schützt die Glasfaser vor leichten Beschädigungen wie Kratzern und vor
äußeren Einflüssen. Die Beschichtung besteht aus zwei Schichten: dem Primär- und
dem Sekundär-Coating (Primary Coating und Secondary Coating). Das PrimärCoating ist eine Art Vorbeschichtung und umgibt unmittelbar das Mantelglas bzw. die
Beugung von
Lichtwellen
auf dem Mantelglas aufgebrachte Lackierung. Bei dem Primär-Coating handelt es
sich um ein Acrylat mit einer Stärke von etwa 60 µm, das unmittelbar nach dem
Erkalten der Faser aufgetragen und mit UV-Bestrahlung ausgehärtet wird. Diese
Primär-Beschichtung reicht für einen vollständigen Schutz der Glasfaser nicht aus,
deswegen wird um die Primär-Beschichtung eine zweite Schutzhülle angebracht, die
so genannte Sekundär-Beschichtung. Das Sekundär-Coating ist abhängig vom
Faseraufbau, es besteht aus Kunststoffkombinationen und hat eine Stärke von etwa
0,1 mm bis 0,2 mm. Die äußere Beschichtung ist fest mit der Primär-Beschichtung
verbunden. Beide Beschichtungen sorgen für eine hinreichende Stabilität der
Glasfaser und für ausreichenden Schutz vor äußeren Einflüssen.
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Biegebelastung
bend load
Biegeradius
bending radius
Blindader
blind fiber
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Elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen unterliegen ebenso einer
Beugung wie Lichtwellen. Bei den elektromagnetischen Wellen ist dieser Effekt
bekannt von den Langwellen, die sich der Erdkrümmung beugen. Bei Lichtwellen
tritt die Beugung beim Übergang einer Lichtwelle von einem Medium in ein anderes
Medium auf, wenn beide Medien unterschiedliche Dichten haben. Nach dem
Huygensschen Prinzip (1690) wird jedes von einer Wellenbewegung ergriffene
Masseteilchen der Ausgangspunkt einer neuen Kugelwelle. Deren Überlagerung
(Interferenz) ergibt entweder die normale geradlinige Wellenausbreitung oder hinter
einer Öffnung oder einem Hindernis die Erscheinung der Beugung.
Die Biegebelastung in Kabeln verläuft senkrecht zur Längsachse und ist für die
Verlegung von Kabeln von Bedeutung. Für die Verlegung und den Betrieb gelten
unterschiedliche Bedingungen. Bei der Verlegung sollte darauf geachtet werden,
dass der Biegeradius größer ist als der achtfache Durchmesser des Kabels. Bei
Überbeanspruchung treten Zugkräfte an der Außen- und Druckkräfte an der
Innenseite der Biegestelle auf, die die Geometrie des Kabels und die Lage der
Einzelelemente beeinflussen. Diese Änderungen wirken sich auf verschiedene
Parameter aus und verschlechtern unmittelbar den NEXT-Wert.
Das Verfahren zur Feststellung der Biegebelastung von Lichtwellenleitern ist in EN
18700 Methode 507 beschrieben.
Unter Biegeradius versteht man die für die Verlegung der Kabel geringste
Krümmung, ohne dass sich die Kabeleigenschaften ändern. Die zulässigen
Biegeradien sollten bei der Verlegung nicht kleiner sein als der fünfzehnfache
Außendurchmesser des Kabels; nach der Befestigung sollte er nicht kleiner als der
zehnfache Außendurchmesser sein. Die EN-Kabelnorm schreibt sogar Biegeradien
von dem vierfachen bzw. dem achtfachen Kabelaußendurchmesser vor.
Auch bei der Verlegung von Lichtwellenleitern ist auf die Spezifikationen für den
Biegeradius zu achten, da bei extrem starker Krümmung das Licht auch über das
Mantelglas entweicht.
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Blindadern sind Kunststoffhüllen in dem Durchmesser normaler Glasfaserhüllen, die
allerdings keine Glasfaser enthalten. Sie werden in Bündeladern eingesetzt und
dienen dazu, das Stützelement zentral in der Kabelseele zu installieren, falls die
Anzahl der Glasfasern für diesen Zweck nicht ausreicht.
Brechung
refraction
Mit Brechung bezeichnet man die Richtungsänderung, die ein Strahl (Welle) erfährt,
wenn er aus einem Stoff in einen anderen übergeht und die Brechzahlen der beiden
Stoffe verschieden groß sind oder sich die Brechzahl innerhalb eines Stoffes
kontinuierlich als Funktion des Ortes ändert (Gradientenindex-Profilfaser). Durch das
Brechungsgesetz kann der Winkel des einfallenden und gebrochenen Strahls
bestimmt werden. Das Brechungsgesetz besagt, dass das Verhältnis der
Brechungsindices der beiden Stoffe gleich dem Verhältnis des Sinus vom
Einfallswinkel zu dem Sinus des Brechungswinkels ist (sin a/sin b = n2/n1).
Brechzahl
refraction index
Von Brechzahl oder Brechungsindex spricht man bei der optischen Übertragung
mittels eines Lichtwellenleiters. Es handelt sich um einen dimensionslosen
Materialkennwert, um den die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem
optisch dichten Medium, beispielsweise im Faserkern, kleiner ist als im freien Raum.
Bei der Brechzahl handelt es sich um das Verhältnis zwischen der
Lichtgeschwindigkeit c0 und der Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Licht im
dichteren Medium C. Vakuum hat den Brechungsindex 1; Glas liegt zwischen 1,4
und 1,6. Bei einem Mittelwert von 1,5 ergibt sich daraus, dass sich Licht im Glas mit
200.000 km/s ausbreitet.
Bündelader
multifiber loose buffer
Bei der Bündelader sind mehrere Glasfasern gemeinsam von einer Plastikröhre lose
umhüllt. Die Umhüllung kann aus einer oder mehreren Schichten gleicher oder
verschiedener Kunststoffe bestehen. Je nachdem, ob der Hohlraum innerhalb der
Hülle mit einer gelartigen Masse gefüllt oder nicht, unterscheidet man zwischen
gefüllten und ungefüllten Bündeladern. Die Füllung dient der Abweisung von
Wasser, bildet aber außerdem einen Schutz gegen zu starkes Knicken der
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Aufbau der
Bündelader
Plastikröhre. Der Biegeradius von
Bündeladern ist abhängig von der Anzahl
der Glasfasern und beträgt etwa 30 m.
Bei Verlegung eines solchen Kabels im
Außenbereich sollte darauf geachtet
werden, dass das Kabel Schutz gegen
Nagetiere bietet.
Gefüllte und ungefüllte Bündeladern
erkennt man auch an der
Kabelbezeichnung: Bei einer ungefüllten
Bündelader ist der zweite Buchstabe für
die Kabelkurzbezeichnung ein “B”, für die
gefüllte ein “D”.
Cleaver
cleaver
Ein Cleaver ist ein Fasertrenngerät zum Schneiden von Glasfasern. Glas schneidet
man durch Anritzen und Brechen. Nur dass im Falle der Lichtwellenleiter der Bruch,
den man am besten unter dem Mikroskop kontrolliert, außerordentlich glatt sein
muss. Obgleich das auch von Hand möglich ist, gibt es hierfür spezielle Werkzeuge,
“Cleaver” genannt.
Crimp-Spleiß
crimp splice
Der Crimp-Spleiß ist eine mechanische Verbindung zweier Lichtwellenleiter. Er wird
auch als mechanischer Spleiß bezeichnet und findet seinen Einsatz vorwiegend bei
Reparaturarbeiten an Lichtwellenleitern, da er schneller und kostengünstiger
herzustellen ist, als der Klebespleiß und der Fusions-Spleiß.
Beim Crimp-Spleiß erfolgt die Vorbereitung für den Spleiß in gleicher Form wie beim
Fusions-Spleiß: Die Fasern werden auf eine bestimmte Länge abgezogen, gereinigt
und gebrochen. Die Ausrichtung der Fasern erfolgt in einem V-förmigen
Aluminiumteil, in das die beiden Fasern eingelegt und mit den Stirnflächen
aneinander geschoben werden. Für die Stirnflächenkopplung sorgt eine Flüssigkeit.
Die Fasern werden mit einer speziellen Crimpzange in das Aluminiumteil gepresst.
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Da sowohl die Ausrichtung der Fasern als auch die Kontaktierung nicht vergleichbar
sind mit denen eines Fusions-Spleißes, sind auch die Dämpfungswerte des Spleißes
entsprechend höher. Diese liegen bei 0,2 dB bis 0,4 dB.
Chromatische Dispersion
CD, chromatic dispersion
Chromatische Dispersion von
Monomodefasern
Dämpfungsbudget
OLB, optical loss budget
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Die chromatische Dispersion
setzt sich zusammen aus der
Materialdispersion und der
Wellenleiterdispersion und
führt zu einer wellenlängenund
streckenlängenabhängigen
Verbreiterung des
Lichtimpulses in einer
Glasfaser. Sie wird in (ps/nm x
km) angegeben und ist in der
ITU-Empfehlung G.652
spezifiziert. Zur Verringerung
der chromatischen Dispersion
wird bei Lichtwellenleitern der Dispersion-Nulldurchgang verschoben oder der
Dispersionsverlauf wird abgeflacht. Beispiele für solche Monomodefasern sind die
DSF-Faser und die NZDSF-Faser.
Bei einem Lichtwellenleiter-Übertragungssystem setzt sich das Dämpfungsbudget,
auch als Optical Loss Budget (OLB) bezeichnet, aus der Differenz der
eingekoppelten Sendeleistung und der Grenzempfindlichkeit des optischen
Empfängers zusammen. Dieser Wert ist das vorhandene Dämpfungsbudget und
wird in Relation zu der Gesamtstreckendämpfung gesetzt, das ist die Summe aller
zwischen Quelle und Senke auftretenden Verluste. Es müssen insbesondere
berücksichtigt werden: die Einkoppelverluste der Laserdiode bzw. der LED, die
aufaddierte Dämpfung sämtlicher verwendeter Lichtwellenleiter zwischen Sender
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und Empfänger sowie die Dämpfungen aller Steckverbindungen und Spleiße.
Übersteigen diese Werte das vorhandene Dämpfungsbudget, sind entsprechende
Maßnahmen beispielsweise in Form von aktiven Komponenten zu treffen.
Die Berechnung des Budgets erfolgt durch Addition und Subtraktion der dB-Werte
für die Verstärkung und Dämpfung der einzelnen Komponenten. Beispiel: Ein
Verstärker hat ein Eingangssignal von -2 dBm und die Verstärkung beträgt 8 dB,
dann ist der Ausgangspegel des Verstärkers 6 dBm.
DCF-Faser
DCF, dispersion
compensating fiber
Die Dispersion Compensating Fiber (DCF) wird zur Dispersionskompensation von
konventionellen Glasfasern eingesetzt. Werden konventionelle Fasern im 1.550-nmBereich verwendet, muss bei längeren Strecken die auftretende positive Dispersion
kompensiert werden. Die DCF-Faser hat eine negative Dispersion von -100 ps/nm/
km, mit der die positive Dispersion einer konventionellen Faser mit 15 ps/nm/km im
Längenverhältnis von 1:6 bis 1:7 kompensiert werden kann. Durch den Einsatz der
DCF-Faser können auch konventionelle Fasern über längere Strecken eingesetzt
werden.
Dispersion
dispersion
Unter Dispersion versteht man
die Verbreiterung eines
Lichtimpulses durch
Laufzeitunterschiede der Moden,
was eine Begrenzung der
Übertragungsbandbreite bzw.
des Bandbreitenlängenproduktes
von Lichtwellenleitern zur Folge
hat. Die Dispersion ist nicht auf
optische Übertragungsmedien
begrenzt, sondern tritt ebenso
bei drahtgebundenen Leitungen
auf. Durch Leitungskapazitäten
Dispersionsarten
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und -induktivitäten werden impulsförmige Signale verbreitert. Diese Verbreiterung ist
umso größer, je länger die Übertragungsleitung ist.
Bei optischer Übertragung ist die Impulsverbreiterung von der Faserqualität, der
spektralen Breite der Lichtquelle und der Streckenlänge abhängig. Man
unterscheidet die Modendispersion und die chromatische Dispersion, die sich
wiederum aus Materialdispersion und Wellenleiterdispersion zusammensetzt.
Produktionstechnische Toleranzen drücken sich dagegen in der Profildispersion aus.
Dispersionskompensation
dispersion compensation
DSF-Faser
DSF, dispersion
shifted fiber
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Zur Dispersionskompensation wurden mehrere speziell dotierte Glasfasern entwickelt
wie die DSF-Faser, die DCF-Faser und die NZDSF-Faser.
Die Dispersion wird in einer Zeit- zu Längeneinheit (ns/km) angegeben und ist der
reziproke Wert des Bandbreitenlängenproduktes. Beispiel: Dispersion 5 ns/km,
Bandbreitenlängenprodukt 200 MHz x km.
In Lichtwellenleitern führt die Dispersion zu einer unerwünschten Verbreiterung der
Signale. Dieses Zerfließen wird durch die unterschiedlichen Laufzeiten der
spektralen Impulskomponenten verursacht und hat eine Reduzierung der
Übertragungslänge zur Folge. Kompensiert werden kann dieser Effekt durch
Dispersionskompensations-Komponenten, die den optischen Verstärkern und
Regeneratoren vor- und nachgeschaltet werden und dem Dispersionsverhalten
entgegenwirken. Solche Komponenten sind speziell dotierte Glasfasern bei denen
Nulldurchgang der chromatischen Dispersion verschoben ist. Zu nennen sind die
DSF-Faser, die DCF-Faser und die NZDSF-Faser.
Um Signalverfälschungen zu kompensieren, die bei der Übertragung über längere
Lichtwellenleiterstrecken durch optische Verstärker und Dispersion entstehen,
wurden Glasfasern mit spezieller Dotierung entwickelt. Die DSF-Faser ist eine von
der ITU in der Empfehlung G.653 standardisierte Faser mit spezieller Dotierung, bei
der der Nulldurchgang der chromatischen Dispersion in das dritte optische Fenster
bei 1.550 nm verschoben wurde. Die verbleibende Dispersion liegt bei der DSFFaser annähernd bei 0, also weit unterhalb von den 15 ps/nm/km einer
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Dispersionsverlauf einer
DSF-Faser
konventionellen Faser.
Dank der verbesserten
Dispersion wird die
Impulsverbreiterung in diesem
für den Einsatz von EDFAVerstärkern geeigneten Fenster
reduziert. Die Streckenlänge
und die Übertragungsfrequenz
können dadurch erhöht
werden.
Einblasen
blow in fiber
Das Einblasen ist ein spezielles
Verfahren für die nachträgliche
Verlegung von LwL-Kabeln. Zu
diesem Zweck werden bei der Kabelverlegung Leerrohre verlegt, in die nachträglich
vier LwL-Adern mit Druckluft eingeblasen werden können. Die Leerrohre haben einen
Durchmesser von 5 mm bis 8 mm und besitzen eine gleitfähige Innenbeschichtung.
Die Verlegelänge kann zwischen 500 m und 1.000 m betragen. Die LwL-Adern sind
mit einer speziellen Beschichtung ausgestattet, die ein Gleiten in dem Leerrohr
ermöglicht, wobei auch enge Biegungen überwunden werden. Zum Einblasen der
Fasern wird ein LwL-Einblasgerät benötigt, das die Faser mittels Pressluft durch das
Leerrohr treibt.
Einfügungsdämpfung
IL, insertion loss
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Wird ein Bauelement (LwL-Stecker, Koppler) oder ein Spleiß in ein optisches
Übertragungssystem eingebracht, so entsteht eine Dämpfung des Signals. Diese
Dämpfung wird Einfügungsdämpfung genannt.
Indexpaste dient dazu, die Reflexionen zwischen LwL-Leitern in LwLSteckverbindungen zu vermeiden. Es handelt sich bei der Indexpaste um ein
transparentes Gel, das die gleichen Brechungseigenschaften hat wie das Kernglas
und das zwischen die Steckerübergänge eingefügt wird. Durch die Indexpaste wird
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ein reflexionsfreier Übergang zwischen Kernglas, Gel und Kernglas geschaffen.
Auch beim Einmessen von Lichtwellenleitern dient die Indexpaste zur Vermeidung
von Fehlmessungen, die durch einen ungewollten Luftspalt zwischen zwei
Glasfaserenden in LwL-Steckern entstehen und dadurch zu einer Dämpfung führen.
Genaues Einrichten der Enden eines Lichtwellenleiters vor dem Spleißen. Die nach
dem Prinzip des Biegekopplers in das eine Stück der zu verbindenden
Lichtwellenleiter injizierten Strahlen werden aus dem Ende des anderen
Lichtwellenleiters auf dieselbe Art entnommen und die beiden Enden
mikrocomputergesteuert motorisch zweidimensional auf maximale Lichtausbeute
justiert und damit auf geringste Dämpfung eingestellt.
Einkopplungswinkel
launch angle
Farbcode
color code
LwL-Farbcodes nach
IEC und DIN
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Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtes und der
optischen Achse des Lichtwellenleiters. Damit das einfallende Licht eingekoppelt
werden kann, muss dieser Winkel zwischen 0 und einem Maximalwert liegen, der
vom Ort auf der Faserstirnfläche bzw. von dessen lokaler Brechzahldifferenz
gegenüber dem Mantel abhängt.
Zur einheitlichen Kennzeichnung
von metallischen Kabeln und
Lichtwellenleitern ist von
verschiedenen Institutionen, u.a.
von EIA, DIN und IEC, eine
Farbcodierung standardisiert
worden. Bei den Farbcodes für
metallische Adern wird die Isolation
der Adernpaare bei den einzelnen Standards in vollkommen unterschiedlichen
Farben eingefärbt. Neben diesen Standards, die von den Herstellern nicht
konsequent angewandt werden, verwenden diese häufig auch herstellereigene
Farbcodes.
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Fehlwinkel
fault angle
Exit
Zufälliger oder absichtlicher Schrägschliff einer Glasfaser. Der absichtliche
Schrägschliff soll Reflexionen bei Steckverbindungen aus der Faser entfernen.
Fresnelverluste
Fresnel loss
Fresnelverluste ergeben sich in einem Lichtwellenleiter durch Reflexionen der
Strahlung an Grenzflächen der Glasfaser zu anderen Medien mit unterschiedlicher
Brechzahl, z.B. Kern/Mantel. Die Fresnelverluste, auch als Fresnel-Reflexionen
bezeichnet, verbreitern durch die Erholzeiten von Detektoren und Verstärker die zu
übertragenden Impulse.
Fusions-Spleiß
fusion splice
Die mit der Fusionsspleißtechnik hergestellte feste Verbindung von zwei
Lichtwellenleitern, wird auch als Lichtbogenspleißtechnik oder als thermische
Spleißtechnik bezeichnet. Generell wird bei diesem Verfahren zwei Faserenden
mittels eines Lichtbogens miteinander verschweißt. Der Lichtbogen hat eine
Temperatur von ca. 2.000 Grad Kelvin und bringt dadurch das Glas in einen
weichen, formbaren Zustand. Für die Ausführung eines Fusionsspleißes benötigt
man ein Fusions-Spleißgerät.
Bevor ein Spleiß ausgeführt werden kann, muss die Beschichtung, die aus Primärund Sekundärcoating besteht, von dem Lichtwellenleiter entfernt werden.
Anschließend werden die Glasfaserenden planparallel geschnitten und für den
Spleiß axial justiert. Dieses Justierverfahren umfasst drei Freiheitsgrade, findet unter
einer Vergrößerungslinse statt und heißt Alignment-Technik. Das eigentliche
Verschmelzen der beiden Fasern erfolgt durch einen Lichtbogen, der zwischen zwei
Elektroden erzeugt wird. Zum Schutz des Spleißes wird ein mechanischer
Spleißschutz über dem Schmelzspleiß angebracht, der diesen vor mechanischen
Beschädigungen schützt.
Der Fusions-Spleiß zeichnet sich durch niedrige Dämpfungswerte aus und hat eine
hohe Langzeitstabilität. Die Richtwerte für die Einfügungsdämpfung sollten bei
Mehrmoden-Gradienten-Indexfasern unter 0,1 dB liegen, bei Monomodefassern
unter 0,05 dB.
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Gammafaktor
gamma factor
Gradientenindex
GI, gradient index
GradientenindexProfilfaser
GIF, gradient index fiber
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Der Gammafaktor ist eine wichtige Größe bei der Übertragung über Lichtwellenleiter,
vor allem bei größeren Entfernungen. Der Störfaktor innerhalb der Glasfaser ist die
Dispersion, im wesentlichen die Modendispersion, nicht so sehr die
Materialdispersion oder die Manteldispersion. Diese wirkt sich in der
unterschiedlichen Signallaufzeit und der damit verbundenen Impulsverbreiterung
aus. Von einer bestimmten Impulsverbreiterung an verlaufen die Signalimpulse
ineinander und sind nicht mehr voneinander zu trennen. Damit geht dann die
Information verloren. Die Grenze ist erreicht, wenn die Erkennbarkeit der Impulse bei
50 % der Amplitude liegt. Dispersionseffekte werden in ns/km oder in ps/km
gemessen, als analoges Maß auch als Bandbreitenlängenprodukt in MHz x km. Die
Auswirkung dieser Effekte ist bei sehr langen Lichtwellenleiterstrecken so, dass die
Bandbreite nichtlinear mit der Entfernung abnimmt. Mit dem Gammafaktor wird
dieser Effekt vorausberechenbar.
Der Brechungsindex einer Glasfaser, der sich kontinuierlich mit der Entfernung von
der Mittelachse ändert. Einen solchen Brechungsindex hat die GradientenindexProfilfaser (GIF).
Die Gradientenindex-Profilfaser ist die Standardfaser für LAN-Anwendungen. Dieser
Lichtwellenleiter hat ein Gradientenprofil, d.h. ein Profil, das sich über der
Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters stetig ändert. Das Profil von üblichen
Gradientenfasern kann durch ein Exponentenprofil angenähert werden. Die
Lichtstrahlen der Moden verlaufen sinusförmig, räumlich betrachtet helixförmig um
die Faserachse. Durch das Gradientenprofil erfolgt ein Laufzeitausgleich der
unterschiedlichen Modengruppen. Die Modendispersion ist aufgrund dieses
Verfahrens wesentlich geringer als bei der Stufenindex-Profilfaser. Sie liegt
typischerweise zwischen 2 ns/km und 5 ns/km. Daraus resultieren übertragbare
Frequenzen von ca. 500 MHz. Die Gradientenindex-Profilfaser besitzt einen
Kerndurchmesser von 50 µm, 62,5 µm, 85 µm oder 100 µm und einen
Manteldurchmesser von 125 µm und 140 µm. Während sich in Amerika die Faser mit
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Aufbau und Brechungsprofil
der Gradientenfaser
62,5 µm Kerndurchmesser durchgesetzt hat, ist auf dem europäischen Markt die 50/
125-µm-Faser stärker vertreten. Besonders die 62,5-µm-Faser hat sich als bei den
neuen Ethernet-Technologien als problematisch erwiesen, da die realisierbaren
Längen bei Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet auf einige wenige hundert
Meter schrumpften. Aus diesem Grund wurden verstärkt hochreine Gradientenfasern
entwickelt, deren Bandbreitenlängenprodukt um ein Vielfaches höher liegt, als das
der bisherigen Lichtwellenleitern. Die ISO/IEC qualifiziert diese GradientenindexProfilfasern in drei OM-Klassen: OM1, OM2 und OM3.
In DIN 57888 / VDE 0888 wird eine Gradientenfaser mit 50 µm +/- 3 µm
Kerndurchmesser, 125 µm +/- 3 µm Manteldurchmesser und einer numerischen
Apertur von 0,2 spezifiziert. Aufgrund der geringen Modendispersion der
Gradientenfasern von <1 ns/km ergibt sich ein Bandbreitenlängenprodukt von 1 GHz
x km bis 10 GHz x km.
Grenzstrahl
boundary ray
Exit
Index
17
Beim Übergang eines Lichtstrahls von einem Medium in ein anderes wird der Strahl
bei steilem Einfallswinkel gebeugt. Macht man den Einfallswinkel flacher, kommt es
zur Totalreflexion. Dazwischen gibt es genau einen, vom Verhältnis der Brechzahlen
der beiden Medien abhängigen Winkel, bei dem der eingespeiste Strahl genau auf
der Grenzlinie der beiden Medien verläuft. Dieser Strahl wird Grenzstrahl genannt.
Bei Monomodefasern handelt es sich um die kürzeste Wellenlänge, bei der nur der
Grundmodus ausbreitungsfähig ist. Wellenlängen, die unterhalb dieser
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Grenzwellenlänge liegen, werden abgeschnitten; diese Wellenlänge nennt man die
Cut-Off-Wellenlänge.
Grenzwellenlänge
cutoff wavelength
Grenzwinkel
critical angle
Gruppengeschwindigkeit
group velocity
HCS-Plastikfaser
HSC, hard clad silicon
Hohlader
single fiber loose buffer
Exit
Index
18
Die Grenzwellenlänge ist von produktionstechnischen Faktoren, der
Modendispersion und der numerischen Apertur (NA) abhängig und liegt bei 10-µmMonomodefasern bei 1.250 nm. Deshalb können Monomode-Fasern nur mit
Wellenlängen oberhalb von 1.250 nm betrieben werden; also nur im 2. und 3.
optischen Fenster.
Unter Grenzwinkel ist der Eintrittswinkel eines Lichtstrahls in das Kernglas des
Lichtwellenleiters zu verstehen, der im Glas eine Brechung von 90° erfährt.
Unter Gruppengeschwindigkeit versteht man die Laufzeiten von Licht mit
unterschiedlichen Wellenlängen in Lichtwellenleitern. Da Lichtwellen bzw.
Infrarotstrahlen nicht monochromatisch sind, d.h. aus mehreren Frequenzen bzw.
Wellenlängen bestehen, ist auch die Ausbreitung in einem Lichtwellenleiter
unterschiedlich. Sie breiten sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit im
Übertragungsmedium aus und können einander sogar überlagern. Diese
Überlagerungen führen im Extremfall dazu, dass das Signal am Empfangsort nicht
mehr ausgewertet werden kann. Daher ist die Gruppengeschwindigkeit ein wichtiges
Maß für Lichtwellenleiter.
Eine HCS-Plastikfaser ist ein Lichtwellenleiter, bei dem der optische Kern durch
Quarzglas und der optische Mantel durch eine speziell patentierte Kunststoffschicht
gebildet wird. Der optische Kern und der optische Mantel bilden dabei keine
untrennbare Einheit wie bei Quarz/Quarz-Fasern. Die Kerndurchmesser der HCSFaser liegen bei 50 µm bis 1000 µm.
Bei der Hohlader besteht der Sekundärschutz aus einem Röhrchen, in dem eine
oder mehrere Fasern liegen. Dies führt zu einem optimalen Schutz der Faser
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LICHTWELLENLEITER
Aufbau der Hohlader
Exit
Index
19
gegenüber Querkräften. Die Querkräfte
werden von dem Röhrchen
aufgenommen und können sich nicht auf
die Faser auswirken. Der
Außendurchmesser der Hohlader liegt im
Bereich von 1,2 bis 4,5 mm je nach
Ausführung. Über die
Sekundärbeschichtung der Hohlader
wirken sich Zugkräfte und hohe sowie
tiefe Temperaturen unmittelbar auf die
Faser aus. Bei tiefen Temperaturen wird
entsprechend dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten das Röhrchen
kürzer als die Faser. Die Faser geht nun
den Weg des geringsten Widerstandes und legt sich spiralförmig an die Innenseite
des Röhrchens. Solange die Steigung der Spirale nicht unter einem kritischen Wert
liegt, bleibt dieser Vorgang dämpfungsneutral.
Bei hohen Temperaturen wird das Röhrchen länger. Es wird zunächst die
vorhandene Überlänge aufgebraucht. Bei weiterer Temperaturerhöhung kommt es
zu einer Zugbelastung der Glasfaser.
Bei auftretenden Zugkräften wird ebenfalls zunächst die Überlänge aufgebraucht.
Darüber hinaus gehende Zugbelastungen führen zu einer Zugbelastung der Faser.
Hohladern werden mit bis zu 12 Fasern im Röhrchen hergestellt. Ab 2 Fasern spricht
man bereits von der Bündelader. Bei Hohladern in längswasserdichter Ausführung
wird der Hohlraum im Röhrchen mit einer Aderfüllmasse gefüllt. Diese Masse darf
nicht zu hochviskos sein, damit auch bei tiefen Temperaturen die Faserbeweglichkeit
nicht eingeschränkt wird. Auf der anderen Seite darf es bei höheren Temperaturen
nicht zum Austropfen der Aderfüllmasse kommen.
Der Vorteil einer Hohlader liegt in der Unempfindlichkeit gegen Querkräfte, die durch
Verseilungen und Temperaturschwankungen entstehen können. Die mechanische
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LICHTWELLENLEITER
Festigkeit der Hohlader ist wesentlich höher als die der Vollader oder der
Kompaktader. In der Kabelkurzbezeichnung ist der zweite Buchstabe bei einer
ungefüllten Hohlader ein »H«, bei einer gefüllten ein »W«.
Kernglas
fiber core
Bei der Herstellung von Lichtwellenleitern entsteht eine Glasfaser, die aus zwei
konzentrisch angeordneten Glasarten mit unterschiedlichem Brechungsindex
besteht. Das Infrarotnutzsignal wird durch Totalreflexion an der Grenzschicht der
beiden Glasarten in dem inneren Glas geführt. Dieses innere Glas ist das Kernglas,
die konzentrisch darum angeordnete Schicht heißt Mantelglas. Kernglas und
Mantelglas bestehen aus hochreinem Quarzglas (SiO2). Der Kerndurchmesser ist
abhängig von dem Lichtwellenleiterprinzip und liegt typischerweise zwischen 9 µm
bei Monomodefasern und 50 µm bzw. 62,5 µm bei Multimodefasern .
Klebespleiß
adhesion splice
Der Klebespleiß ist, wie der Name sagt, eine Verbindungstechnik für
Lichtwellenleiter, basierend auf einer Verklebung der beiden Faserenden. Bei dieser
Technik werden die Fasern mittels eines Fasertrenngerätes gebrochen und
anschließend gereinigt. Danach werden die Faserenden in eine mechanische
Vorrichtung eingeführt, die die Faserenden gegeneinander justiert. Die Fixierung der
Faserenden und die Verbindung der Stirnflächen erfolgt mittels eines Klebers, der
mit UV-Licht ausgehärtet wird. Dieser Kleber, der auch zwischen den Fasern ist, ist
maßgeblich für die Dämpfung verantwortlich. Die Einfügungsdämpfung liegt
zwischen 0,2 dB und 0,7 dB. Klebespleiße sind nur bei Multimodefasern möglich.
Bei der Herstellung von Lichtwellenleitern wird von einem mehrere Zentimeter dicken
Glasrohr (Preform) ausgegangen, in das das Kernglasmaterial in heißer Gasphase
eingebracht wird und sich an den Rohrinnenwänden niederschlägt. Bevor daraus
eine Glasfaser gezogen werden
kann, muss das Rohr zu einem
Stab schrumpfen. Dieser
Schrumpfungsprozess wird
Kollabieren genannt.
Klebespleiß
Exit
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LICHTWELLENLEITER
Bei der Kompaktader ist das SekundärCoating nicht fest mit der Faser verbunden, sondern umhüllt den Lichtwellenleiter in loser Form. Die Umhüllung kann
aus einer oder mehren Schichten von
Kunststoff bestehen. Der radiale Faserspielraum beträgt nur einige hundertstel
Millimeter. Der Außendurchmesser der
Kompaktader ist identisch mit dem der
Vollader. Die Vorteile der Kompaktader
gegenüber der Vollader sind die bessere
Abisolierbarkeit und ihr minimaler
Einfluss durch Mikrobiegungen und
Temperaturbeeinträchtigungen
Kompaktader
loose tube fiber
Aufbau der Kompaktader
Exit
Krümmungsradius
radius of curvature
Maximaler Biegeradius, mit dem ein Lichtwellenleiter beansprucht werden darf, ohne
beschädigt zu werden.
Leckwellen
leaky modes
Leckwellen sind Strahlungsanteile, die bei einer Stufenindex-Profilfaser nicht im Kern
geführt werden, sondern sich über eine gewisse Strecke im Mantel (Cladding)
ausbreiten, wegen der hohen Dämpfung allerdings nicht sehr weit.
Lichtabsorption
light absorption
Die Lichtabsorption ist eine der Ursachen für die Dämpfung von Lichtwellenleitern.
Man unterscheidet zwischen der Grundabsorption und der Absorption durch
Verunreinigung. Bis zu Wellenlängen von 1.600 nm ist die Grundabsorption
maßgeblich für die Dämpfung und kann auch nicht durch den Herstellungsprozess
beeinflusst werden. Anders verhält es sich mit der Absorption durch
Verunreinigungen. Diese müssen in der Quarzglasschmelze soweit als möglich
verringert werden. Die Absorptionen haben einen direkten Einfluss auf die nutzbaren
Wellenlängenbereiche, die sich in den optischen Fenstern ausdrücken.
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LICHTWELLENLEITER
LwL
Lichtwellenleiter
FO, fiber optics
Aufbau von
Lichtwellenleitern
Der Begriff LwL ist in DIN 47002 und VDE 0888 genormt und besagt, dass es sich
um einen Leiter handelt, in dem moduliertes Licht übertragen wird. Der LwL kann
aus Glasfaser oder Kunststoff bestehen und zeichnet sich u.a. durch seine extrem
hohe Übertragungsrate aus, die bis zu mehreren Milliarden bit/s betragen kann. Die
Übertragungstechnik auf Lichtwellenleitern basiert auf einer Intensitätsmodulation,
die in Form einer Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation erfolgt. Eine
Erhöhung der Übertragungskapazität ist durch die Modulation unterschiedlicher
Lichtwellenlängen möglich. Diese Verfahren heißen Wellenlängenmultiplex (WDM
und DWDM) und erhöhen je nach Anzahl der benutzten Wellenlängen die
Übertragungskapazität eines Lichtwellenleiters erheblich. Theoretisch sind bei
Monomodefasern Bandbreiten von über 50 THz erzielbar.
Des Weiteren sind LwL unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen,
weitestgehend abhörsicher und haben, wenn sie aus Glas bestehen, extrem geringe
Dämpfungswerte.
Dem Aufbau nach besteht ein Glasfaser-Lichtwellenleiter aus einem zylindrischem
Kern, einem ihn umgebenden Mantel und der Beschichtung. Optischer Kern (Core)
und optischer Mantel (Cladding) sind aus hochreinem Quarzglas mit
unterschiedlichen Brechungsindizes. Bei allen Quarz/Quarz-Fasern sind Kern- und
Mantelglas mechanisch nicht trennbar miteinander verbunden. Dabei wird die
Struktur bereits bei der Herstellung vor dem Faserziehen festgelegt. Die äußere
Exit
Index
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LICHTWELLENLEITER
LwL mit verschiedenen
Moden
Exit
Index
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Beschichtung, die so genannte
Primär-Beschichtung, das
Primary Coating, bildet eine
mechanisch widerstandsfähige
Schutzschicht. Sie ist umgeben
von der Sekundär-Beschichtung,
die nicht zwangsläufig mit der
Glasfaser verbunden ist.
Im Kern eines Lichtwellenleiters
breiten sich Lichtanteile
unterschiedlicher
Einstrahlungswinkel aus. Damit
ein Lichtstrahl im Kern
überhaupt geführt werden kann, muss er an den Grenzfläche zwischen Kernglas
und Mantelglas reflektiert werden. Und zwar immer zum Kernglas hin. Eine solche
Reflexion erfolgt nur, wenn der Brechungsindex des Kernglases größer ist als der
des Mantelglases und wenn der Einkoppelwinkel des Lichtes auf die
Faserstirnfläche kleiner ist als der maximale Akzeptanzwinkel. Dabei entstehen durch
häufige Reflexion an der Grenzschicht zwischen Kernglas und Mantelglas
Lichtwellen unterschiedlicher Laufzeit, so genannte Moden. Lichtwellen, die einen
längeren Weg in der Faser zurücklegen, werden auch als Lichtstrahlen hoher Mode
bezeichnet, Lichtwellen, die nahe entlang der Faserachse geführt werden, als
Strahlen niedriger Mode.
Tragen bei einem Lichtwellenleiter mehrere Moden zur Signalübertragung bei,
werden sie auch als Multimodefasern bezeichnet. Lichtwellenleiter, bei denen durch
einen sehr kleinen Kerndurchmesser (etwa 5 µm oder 10 µm) lediglich ein Mode, der
quasi die Achse des Kerns darstellt, durchgelassen wird, werden als
Monomodefaser bezeichnet.
Bei Multimodefasern kann man noch eine weitere Unterscheidung in Bezug auf die
Art des Brechungszahlverlaufes innerhalb der Faser machen. Man unterscheidet
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LICHTWELLENLEITER
Lichtwellenleiter mit
Aramidgarn und
Kabelaußenmantel
LwL-Adern
fibers
Exit
Index
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zwischen Stufenindex- und Gradientenindex-Profilfasern. Bei Stufenindex-Profilfasern
besitzen Kern und Mantel eine feste Brechzahl, die Dichten der jeweiligen Materialien
sind jeweils konstant.
Die Gradientenindex-Profilfaser weist einen parabolischen Brechzahlverlauf im Kern
auf. Unterschiedlich laufende Strahlen in einer Stufenindex-Profilfaser legen
unterschiedlich lange Wege in der Faser zurück. Da bei einer solchen Faser die
Phasengeschwindigkeit der Strahlen konstant ist, haben die verschieden
transportierten Strahlen auch unterschiedliche Laufzeiten. Die Auswirkungen der
Dispersion führen insbesondere bei großen Medienlängen bzw. hohen Datenraten
zu einer sehr starken Veränderung des Ausgangssignals bezogen auf das
Eingangssignal. Um die entstehenden Laufzeitunterschiede zu umgehen, wurde die
Gradientenindex-Profilfaser konzipiert. Es handelt sich hierbei um eine
Multimodefaser mit einem parabolischen Brechzahlverlauf im Kern. In diesen Fasern
ist die Strahlbahn der Moden nicht mehr geradlinig, sondern nahezu sinusförmig.
Gängige zum Teil genormte Fasern (z.B. durch ITU, Deutsche Norm VDE 0888)
verfügen über einen Kerndurchmesser von 50 µm, 62,5 µm, 85 µm bei einem
Manteldurchmesser von 125 µm.
Damit Lichtwellenleiter für Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet eingesetzt
werden können, wird die Qualität von Lichtwellenleitern klassifiziert, ähnlich den
Class-Spezifikationen von Kupferkabeln. Der Entwurf von ISO/IEC qualifiziert
Gradientenindex-Profilfasern in drei OM-Klassen, die OM1, OM2 und OM3 heißen
und Monomodefasern in einer OS-Klasse: OS1. Innerhalb der Klassen unterscheidet
man von der Einspeisung her zwischen einer LED- und Laseranregung. So hat OM3
eine Bandbreite von 2.000 MHz x km bei 850 nm Wellenlänge.
Alle Lichtwellenleiter haben eine Sekundärbeschichtung. Diese bildet zusammen mit
dem Lichtwellenleiter die LwL-Ader. Je nachdem, ob der Lichtwellenleiter kompakt
mit der Umhüllung verbunden ist, ob er lose in der Umhüllung liegt oder ob die
Umhüllung mehrere Lichtwellenleiter enthält, unterscheidet man: Vollader,
Kompaktader, Hohlader und Bündelader.
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LwL-Außenkabel
outdoor fibers
Exit
Index
25
Kabel, deren Spezifikationen so ausgelegt sind, dass alle Anforderungen, die eine
Außenverlegung mit sich bringt, erfüllt werden, nennt man Außenkabel. Außenkabel
zeichnen sich durch ihren robusten
Aufbau aus und können direkt im
Erdreich, in Kabeltrassen oder in
Rohranlagen verlegt werden. Zu den
besonderen Eigenschaften von
Außenkabeln gehören u.a. die
Feuchtigkeitsbeständigkeit, die Stabilität
gegen mechanische Beanspruchungen
und die Resistenz gegen Nagetierfraß.
LwL-Außenkabel gibt es als ungefüllte
und gefüllte Bündelader mit 2 bis 10
Fasern. Die ungefüllte Version kommt
dann zum Einsatz, wenn keine
Längswasserdichtigkeit gefordert wird,
andernfalls kommt die mit
Adernfüllmasse gefüllte Version zum
Einsatz. Der Außendurchmesser eines
LwL-Außenkabels ist unabhängig von
der Adernzahl konstant. Die einzelnen
Fasern sind zur Unterscheidung mit
einer Farbkennzeichnung versehen.
Durch den glatten PE-Mantel lässt es
sich sehr leicht in vorhandene
Kabelkanäle oder Rohre einziehen. LwLAußenkabel sind relativ großzügig
dimensioniert, damit der Innenraum bei
auftretenden Temperaturschwankungen
die Faserüberlänge aufnehmen kann.
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LICHTWELLENLEITER
Durch die Verwendung eines besonders harten und formstabilen Außenmantels aus
schwarzem, UV-beständigen Polyäthylen, ist das Kabel sehr widerstandsfähig gegen
Querdruck, was allerdings Nachteile in der Steifigkeit mit sich bringt.
Das Einsatzfeld der gefüllten Bündelader mit Längswasserdichtigkeit reicht über die
Verlegung im Freien bis hin zum Einzug in feuchte, nasse Kabelkanäle und Rohre.
Kabel, die wegen ihrer Eigenschaften nur für die Innenverlegung zugelassen sind,
nennt man Innenkabel. Diese Kabel können gleichermaßen in der
Gebäudeverkabelung eingesetzt werden als auch in der Etagenverkabelung. Wichtig
für Innenkabel ist das Brandverhalten und die Brandfortleitung.
Exit
LwL-Innenkabel
indoor fibers
LwL-Innenkabel sind als Quasi-Vollader mit Aramidgarn und einer Vliesumwicklung
als Trennmittel zwischen Aramidfaser und Mantel aufgebaut. Der Mantel ist aus
flammwidrigem, halogenfreiem Werkstoff (FRNC) wie Polyurethan (PUR).
Das LwL-Innenkabel zeichnet sich durch eine Flexibilität aus, die Zugfestigkeit ist
standardmäßig mit 400 N vorgesehen, durch die Verwendung der Quasi-Vollader
wird die Querdruck- und Hammerschlagfestigkeit herkömmlicher Kabel mit
Volladeraufbau weit übertroffen. Der Einsatz von Polyurethan als KabelmantelWerkstoff führt zu einer sehr guten Abriebfestigkeit. Hinzu kommt die bekannte
Resistenz gegenüber verschiedenen Chemikalien. Da Polyurethan gegenüber PVC
ein viel besseres Tieftemperaturverhalten aufweist, bleibt auch das Kabel bei -20
Grad C flexibel und die Dämpfung stabil.
Innenkabel können von DIN/VDE nach 0888 zertifiziert werden. Nach DIN/VDE ist
für dieses Kabel ein grauer PVC-Mantel vorgeschrieben. Der Außendurchmesser ist
mit 3,5 mm festgelegt.
LwL-Kabel
fiber optic cable
LwL-Kabel sind Lichtwellenleiter, die in einem gemeinsamen Mantel untergebracht
sind und durch diesen geschützt werden. Das Übertragungsverhalten eines LwLKabels wird allein durch die Fasern bestimmt. Bei ungünstiger Kabelkonstruktion
oder bei unsachgemäßer Verlegung, kann die Faser stark belastet werden und sich
in ihrem Dämpfungsverhalten verändern.
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LICHTWELLENLEITER
Um den Vorteil der Potentialtrennung zwischen Datenquelle und Empfänger auch im
Kabel beizubehalten, wird wann immer möglich der Einbau von Metallelementen in
LwL-Kabeln vermieden. Man spricht dann von metallfreien LwL-Kabeln. Da es für
LwL-Kabel ein weit gefächertes Einsatzgebiet gibt, wurden verschiedene
Kabelkonstruktionen entwickelt, die diesen Bedürfnissen gerecht werden. Alle Kabel
enthalten jedoch Zugentlastungselemente aus Aramidfaser oder Glasseide, um eine
Dehnung des Kabels und somit auch der Glasfaser bei Zugbelastung
weitestgehend zu verhindern. Bei verschiedenen Kabeltypen werden zusätzlich
Stützelemente eingebaut, die zur Aufnahme von evtl. auftretenden Stauchkräften
vorgesehen sind.
Materialdispersion
material dispersion
Die Materialdispersion ist auf die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten
und Brechungsindizes von Lichtwellen in Festkörpern zurückzuführen. Der
Brechungsindex beschreibt den Verkürzungsfaktor, d.h. die Reduzierung der
Phasengeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle in Lichtwellenleitern
gegenüber der Ausbreitung im Vakuum. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist durch
die physikalische und chemische Zusammensetzung des Glases bedingt und
verursacht eine Dispersion, die von der Wellenlänge abhängt. Deswegen wird sie
auch als chromatische Dispersion bezeichnet. Diese Dispersion wird auch durch die
Abstrahlung der Lichtquelle beeinflusst. Bei Lichtquellen mit geringer Spektralbreite
ist die Materialdispersion sehr gering. Die Materialdispersion ist besonders günstig
bei Wellenlängen von 1300 nm, weil ihre Charakteristik bei dieser Wellenlänge Null
ist.
Mie-Streuung
mie scattering
Die Mie-Streuung entsteht durch Verunreinigungen und Fehler in Lichtwellenleitern.
Es kann sich dabei um Abweichungen der Glasfaser von der idealen zylindrischen
Form handeln oder um andere fertigungstechnische Toleranzen, wie
Mikrokrümmungen.
Moden
Exit
Index
27
Unter Moden versteht man diskrete Lichtwellenformen, die sich im Kernglas eines
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LICHTWELLENLEITER
Lichtwellenleiters ausbreiten, vorausgesetzt dass die Einkopplung des Lichtes in die
Faser unterhalb eines bestimmten Winkels, des so genannten Akzeptanzwinkels,
erfolgt. Moden verstärken sich durch Interferenzen und werden auch Eigenwellen
genannt. Während in einer Monomodefaser nur ein einziger Modus, der
Grundmodus, ausbreitungsfähig ist, sind es in einer Multimodefaser viele hundert
Moden, die sich u.a. durch Feldverteilung und Ausbreitungsgeschwindigkeit
unterscheiden. Bei den Glasfaserkabeln unterscheidet man zwischen
Monomodefasern (Einmoden-Faser) und Multimodefasern, bei den Multimodefasern
wiederum zwischen Stufenindex-Profilfaser und Gradientenindex-Profilfaser. Auffällig
ist, dass das Bandbreitenlängenprodukt in MHz x km von der Stufenindexfaser über
die Gradientenindexfaser zur Monomodefaser jeweils um ca. eine Zehnerpotenz,
also den Faktor 10, steigt.
Modendispersion
modal dispersion
Exit
Index
28
Die Modendispersion ist eine Impulsverbreiterung in Lichtwellenleitern. Licht
unterschiedlicher Moden breitet sich im Kernglas eines Lichtwellenleiters
unterschiedlich aus. Bei hinreichend großem Kernglasquerschnitt, wie bei der
Stufenindex-Profilfaser, läuft das Licht nicht parallel zur Kernachse, sondern wird
zwischen Kernglas und Mantelglas reflektiert. Es läuft eher im Zickzack (hoher
Mode). Da die Lichtgeschwindigkeit in einem Festkörper bei den üblichen
Bedingungen eine Konstante ist, kommt Licht, das im Zickzack läuft, später am
anderen Ende des LwL an als Licht, das entlang der optischen Achse verläuft. Wenn
man nun einen elektrischen Impuls durch eine Lichtmodulation darstellt, kann man
keine Aussage darüber treffen, in welcher Weise der LwL den Impuls überträgt und
inwiefern der Impuls durch die Laufzeitunterschiede auseinander gezogen wird.
Diesen Einfluss, den man Modendispersion nennt, wird in einer Zeiteinheit pro
Längeneinheit angegeben. Bei Stufenindex-Profilfasern mit hoher Modendispersion
(z.B. 50 ns/km) reduziert die Modendispersion die übertragbare maximale Datenrate
beträchtlich. Bei diesem Beispiel beträgt die maximal übertragbare Datenrate nur 20
MHz über 1 km. Man versucht die Modendispersion durch konstruktive Maßnahmen
zu verringern, so z.B. durch andere Kern-Mantel-Profile wie bei der GradientenindexITWissen.info
LICHTWELLENLEITER
Profilfaser oder der Monomodefaser. Bei diesen Lichtwellenleitern werden typische
Werte von <1 ns/km (Gradientenfaser) und 0,1 ns/km (Monomodefaser) erreicht.
Multimodefaser
MMF, multimode fiber
Wie die Bezeichnung erkennen lässt, tragen bei diesem Lichtwellenleiter mehrere
Moden zur Signalübertragung bei, d.h. die Lichtstrahlen werden an der Grenzschicht
zwischen Kern und Mantel häufig und unterschiedlich reflektiert, was
unterschiedliche Laufzeiten der Strahlen bedingt. Die Multimodefaser ist entweder
eine Stufenindex-Profilfaser mit einem typischen Kerndurchmesser von 100, 120 oder
400 µm, mit einem Bandbreitenlängenprodukt von weniger als 100 MHz x km und
einer Dämpfung von ca. 6 dB/km oder eine Gradientenindex-Profilfaser mit typischen
Kerndurchmessern von 50 µm, 62,5 µm, 85 µm oder 100 µm und
Manteldurchmessern von 125 µm oder 140 µm. Die Dämpfungswerte liegen bei 3
dB/km (LED 850 nm), wodurch eine repeaterlose Übertragung von bis zu 10 km
möglich ist. Das Bandbreitenlängenprodukt liegt hier wegen der besseren
Unterdrückung der Modendispersion zwischen 200 MHz x km bei 850 nm und 500
MHz x km bei 1.300 nm.
Aufbau und Brechungsprofil
der Stufenindex-Profilfaser
Im Rahmen der neuen Ethernet-Techniken wie Gigabit-Ethernet und 10-GigabitEthernet wurden neue, wesentlich reinere Gradientenindex-Fasern entwickelt, so
genannte New Fiber, die bei 850 nm Bandbreitenlängenprodukte von bis zu 10 GHz
x km aufweisen.
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29
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LICHTWELLENLEITER
NDSF-Faser
NDSF, non dispersion
shifted fiber
New Fiber
new fiber
Numerische Apertur
NA, numerical aperture
NZDSF-Faser
NZDSF, non zero
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Index
30
Die NDSF-Faser ist eine von der ITU in der Empfehlung G.652 standardisierte
Monomodefaser mit spezieller Dotierung. Bei dieser Faser wird der Nulldurchgang
der chromatischen Dispersion in das zweite optische Fenster verschoben. Dadurch
wird die Impulsverbreiterung in diesem Fenster reduziert. NDSF-Fasern haben
typische Dispersionswerte von 16 ps/nm bezogen auf einen Kilometer.
Mit New Fiber werden Lichtwellenleiter bezeichnet, die sich durch ein hohes
Bandbreitenlängeprodukt auszeichnen. Diese hochreinen GradientenindexProfilfasern mit Bandbreitenlängenprodukten von bis zu 10 GHz x km bei 850 nm
kommen in Gigabit-Ethernet und 10GbE zum Einsatz.
Die numerische Apertur (NA) ist eine Kenngröße für die Bündelung von Lichtstrahlen
in optischen Systemen. Per Definition gibt die numerische Apertur die
Bündelbegrenzung an, die sich auf die Grenzstrahlen bezieht. Es handelt sich um
dimensionslosen Wert, der sich aus dem Sinus des halben Öffnungswinkel des
Grenzwellenlänge ergibt.
Bei der optischen Übertragungstechnik mit Lichtwelleneitern ist die numerische
Apertur ein Maß für die in Lichtwellenleiter eingekoppelte Lichtleistung. Sie ist
abhängig vom Einkopplungswinkel unter dem das Licht einer Lichtquelle in den
Lichtwellenleiter eingespeist wird. Je größer die numerische Apertur einer Glasfaser,
desto mehr Licht kann in die Faser eingekoppelt werden.
Der Einstrahlwinkel, der auch als Akzeptanzwinkel bezeichnet wird, wird im
Grenzbereich zum Grenzwinkel. Die numerische Apertur wird durch den Sinus des
Akzeptanzwinkes bestimmt und wirkt sich besonders beim Zusammenfügen von
zwei Lichtwellenleitern aus, da an diesen Stoßstellen Inhomogenitäten und
unterschiedliche Materialdichten auftreten können. Typische Werte für eine
Stufenindex-Profilfaser liegen bei 0,2 bis 0,3.
Bei der Übertragung in DWDM-Systemen führt eine Dispersion mit einem
Nulldurchgang im optischen Fenster bei 1.550 nm, wie im Falle der DSF-Faser, zu
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LICHTWELLENLEITER
dispersion shifted fiber
Interferenzen zwischen den verschiedenen Lichtsignalen. Dieser durch
Nichtlinearitäten hervorgerufene Effekt ist ein Mischeffekt, bei dem aus drei Signalen
ein viertes gebildet wird. Es entspricht dem Verfahren nach dem Four-Wave Mixing,
wobei das vierte Lichtsignal Lichtenergie entzieht und die anderen Lichtsignale
stören kann.
Aus diesem Grund müssen in DWDM-Systemen Glasfasern eingesetzt werden,
deren Nulldurchgang der Dispersion außerhalb des für DWDM genutzten
Wellenlängenbereiches liegt. Bei der NZDSF-Faser, spezifiziert in der ITU-TEmpfehlung G.655, handelt es sich um eine solche Faser.
Die NZDSF-Faser wurde für Übertragungsraten von 10 Gbit/s und 40 Gbit/s
optimiert, sie kann im C-Band und im L-Band betrieben werden und in Zukunft auch
im S-Band und kann Entfernungen von bis zu 100 km ohne Verstärker überbrücken.
Das Dämpfungsbudget bezieht sich gleichermaßen auf Übertragungssysteme mit
metallischen Leitern und auf solche mit Lichtwellenleitern. Die Berechnung des
Dämpfungsbudgets dient der Ermittlung aller vorhandener Pegelwerte in einem
Übertragungssystem, speziell der Ermittlung des am Empfänger vorhandenen
Empfangspegels.
OM-Klasse
OM, optical multimode
Bei den OM-Klassen handelt es sich um die standardisierte Klassifizierung von
Lichtwellenleitern für die LwL-Verkabelung, vergleichbar der Klassifizierung von TPKabeln (Kategorie) für die strukturierte Verkabelung (EN 50173 und ISO/IEC 11801).
Die Standardisierung, die die Verkabelung von Gigabit-Ethernet und 10-GigabitEthernet unterstützen soll, wird von ISO/IEC durchgeführt und sieht drei Klassen für
Multimodefasern (OM1, OM2, OM3) und eine Klasse für Monomodefasern (OS1) vor.
In der Standardisierung sind unterschiedliche Vorgaben für Einmoden- und
Gradientenindex-Profilfasern und die zum Einsatz kommenden Übertragungsfenster
vorgesehen, wobei auch die verschiedenen Anregebedingungen durch LED und
Laser berücksichtigt werden.
Die drei optischen Klassen repräsentieren als minimale Übertragungslängen 300 m,
500 m und 2.000 m.
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LICHTWELLENLEITER
Definition der
OM-Klassen
Für die Lichtübertragung stehen in allen drei OM-Klassen die Wellenlängen von 850
nm und 1300 nm zur Verfügung, die Dämpfungswerte sind in allen drei Klassen
gleich, dagegen sind die Bandbreitenlängenprodukte sehr unterschiedlich und
reichen von 200 MHz x km bei OM1 mit 850 nm bis zu 1.500 MHz x km für OM3.
OM3 wird allerdings mit einem VCSEL-Laser spezifiziert, der wesentlich effizienter
arbeitet als Laser, die in Verbindung mit Monomodefasern verwendet werden. In
dieser Konfiguration können bei 10-Gigabit-Ethernet Entfernungen von 300 m
überbrückt werden. Wobei dies nur durch Einhaltung der äußerst engen Grenzwerte
für die Differential Mode Delay (DMD) sichergestellt wird.
Exit
Optischer Mantel
cladding
Der optische Mantel ist die den optischen Kern umgebende Schicht. In Quarz/
Quarz-Fasern sind Kern und Mantel aus gleichem Material mit unterschiedlichem
Brechungsindex. Sie sind mechanisch nicht trennbar miteinander verbunden. Bei
Plastikfaser, der PCS-Plastikfaser und der HCS-Plastikfaser, ist der optische Mantel
aus Kunststoff und nicht fest mit dem optischen Kern verschmolzen.
Optisches Fenster
optical window
Für die optische Übertragungstechnik auf der Basis von Quarzglas-Lichtwellenleitern
nutzt man Wellenlängenbereiche, die sich durch geringe Materialdämpfung
auszeichnen. Bei Lichtwellenleitern bilden sich durch Streuung und Absorption
Wellenlängenbereiche aus, in denen die Dämpfung geringer ist als in anderen
Bereichen. Diese Bereiche nennt man optische Fenster und nutzt sie zur
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32
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LICHTWELLENLEITER
Dämpfungskurven mit
optischen Fenstern
Übertragung für die verschiedenen Moden. Die optischen Fenster liegen bei 850 nm,
1.300 nm und 1.550 nm.
Die ITU hat für die Übertragung in optischen Netzen insgesamt sechs
Wellenlängenbereiche im 2. und 3. optischen Fenster definiert. Danach liegt das OBand im 2. optischen Fenster, das E-Band, S-Band, C-Band, L-Band und U-Band im
3. optischen Fenster. Der untere Wellenlängenbereich bei 850 nm wird für die
Übertragung auf Multimodefasern in lokalen Netzen benutzt und ist von der IEEE
u.a. für Gigabit-Ethernet vorgegeben.
Typische Dämpfungswerte liegen bei 3 dB/km für 850 nm Wellenlänge und 0,1 dB/
km für 1.300 nm mit Monomodefasern.
OS-Klasse
OS class
Exit
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33
Bei der OS-Klasse handelt es sich um die Spezifikation für eine leistungsfähige
Monomodefaser für den Einsatz in 10-Gigabit-Ethernet. Mit dieser von der ISO/IEC
eingeführten Klassifizierung von Monomodefasern und Gradientenindex-Profilfasern,
dafür wurden die OM-Klassen entwickelt, werden neu entwickelte leistungsfähige
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LICHTWELLENLEITER
Lichtwellenleiter für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsnetzen spezifiziert.
In der OS-Klassifizierung gibt es die Klasse OS1, die als Fasertyp E9..10/125 µm
vorsieht, mit einer Dämpfung von 1,0 dB/km bei den oberen beiden optischen
Fenstern. Für 850 nm liegen noch keine Spezifikationen vor.
PCF-Faser
PCF, plastic cladding
silica fiber
Eigenschaften von
Plastikfasern
Plastikfaser
APF, all plastic fiber
Exit
Index
34
Bei der PCF-Faser handelt es sich um einen hybriden Lichtwellenleiter, der den
Stufenindex-Profilfasern zuzuordnen ist. Bei dem Plastic Cladding Silica Fiber ist, wie
die Bezeichnung schon erkennen läßt, das Kernglas aus Quarzglas und die
Ummantelung aus Kunststoff. Der Manteldurchmesser liegt im allgemeinen
zwischen 300 µm und 550 µm. Die PCF-Faser wird mit Wellenlängen von 750 nm
und 650 nm
betrieben. Ihre
Dämpfungswerte
liegen bei ca. 10
dB/km und
betragen für die
500-µm-Version mit
einer 650-nmQuelle sogar 150
dB/km. Das
Bandbreitenlängenprodukt liegt
zwischen 10 bis 20.
Lichtwellenleiter
aus Plastik. Der
Hauptunterschied zum Lichtwellenleiter aus Glas ist die relativ hohe Dämpfung.
Daher eignen sich Plastikfasern nur für kurze Entfernungen, vorwiegend im
Endgerätebereich. Der Kern der Plastiklichtwellenleiter ist mit 250 µm bis 1.000 µm
erheblich dicker als der von Glasfasern.
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Bei den Plastikfasern unterscheidet man zwischen zwei unterschiedlichen Typen:
dem PCF-Kabel (Plastic Cladding Silica Fiber) und dem APF-Kabel (All Plastic
Fiber). Beim erstgenannten ist der Kern aus Quarzglas und der Mantel aus
Kunststoff (200 bis 500 µm), bei den APF-Kabeln sind sowohl Kern als auch Mantel
aus Kunststoff und bis zu 1 mm dick. Der Kunststoffkern ist mit einem ca. 10 bis 20
µm dünnen Mantel überzogen, der als Reflexionsschicht dient.
Plastikfasern haben gegenüber den Glas-Lichtwellenleiter den Nachteil einer extrem
hohen Lichtdämpfung. Sie haben ausgeprägte Dämpfungsminima bei 660 nm und
780 nm. Bei 660 nm beträgt die Dämpfung noch ca. 140 dB/km, bei 780 nm über
300 dB/km. Dadurch bleibt der Einsatz von Kunststoff-Lichtwellenleitern auf kurze
Entfernungen begrenzt. Die als Stufenindex-Profilfaser aufgebauten Lichtwellenleiter
werden mit Wellenlängen von 660 nm betrieben.Zugentlastungsmaterial zum Schutz
von Lichtwellenleiterbündeln.
Dämpfungsverhalten von
Plastik- und Glasfasern
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POF-Faser
POF, plastic optical fiber
Die optische Faser aus Polymeren (POF) ist eine reine Plastikfaser wie die All Plastic
Fiber (APF), die aus einem transparenter Kern und Mantel besteht, der einen
geringeren Brechungsindex aufweist als das Kernmaterial. Als Kernmaterial werden
Polymere wie Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat eingesetzt. Gegenüber der
Glasfaser hat die POF wesentlich höhere Dämpfungswerte und einen größeren
Durchmesser, der bei 980/1.000 µm liegt. Fasern mit geringerem Durchmesser
befinden sich in der Entwicklung.
Bei den polymeren optischen Fasern gibt es neben den rein polymeren Fasern
hybride Fasern, eine Kombination aus Glasfaser und Plastikummantelung, wie die
Plastic Cladding Silica Fiber (PCF).
POFs werden für Kurzstreckenübertragungen in Kraftfahrzeugen, in der
Unterhaltungselektronik und auf Rechnerplatinen eingesetzt.
Primärbeschichtung
primary coating
Die Primärbeschichtung ist eine Schutzschicht der Glasfaser, die direkt bei der
Fertigung auf die Faser aufgebracht und mit UV-Licht ausgehärtet wird. Das PrimärCoating ist eine Art Vorbeschichtung und umgibt unmittelbar das Mantelglas. Bei
dem Primär-Coating handelt es sich um ein Acrylat mit einer Stärke von etwa 50 µm
bis 90 µm. Das bedeutet, dass die Glasfaser mit der Primärbeschichtung einen
Durchmesser von 220 µm bis ca. 300 µm hat.
Profil
profile
Unter dem Profil eines Lichtwellenleiters versteht man die radiale Änderung der
Brechzahl vom Kernglas zum Mantelglas. Bei Stufenindex-Profilfasern bewegen sich
die Moden auf unterschiedlichen Wegen durch das Kernglas, was eine
Impulsverbreiterung, die so genannte Modendispersion, zur Folge hat. Bei
Gradientenindex-Profilfasern nimmt die Brechzahl vom Kern zum Mantel
parabelförmig ab. Die Laufzeitunterschiede sind relativ gering (geringe Dispersion),
wodurch die Moden nahezu zeitgleich ankommen.
Profildispersion
profile dispersion
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Die Profildispersion ist eine Dispersion, die auf produktionstechnische Toleranzen bei
der Herstellung der Lichtwellenleiter zurückzuführen ist. Besonders bei der
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Gradientenindex-Profilfaser muss das Brechungsprofil über den Faserquerschnitt
homogen sein. Kleinste Abweichungen verursachen unterschiedliche Brechungen,
was Laufzeitunterschiede zur Folge hat, die als Profildispersion bezeichnet werden.
Quarzglas
fused silicon glass
Rayleigh-Streuung
Rayleigh dispersion
Rückstreuung
back scattering
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Siliziumdioxyd SiO2 in amorpher, also nichtkristalliner Form. Quarzglas ist das
Basismaterial für den Kern der LwL-Faser.
Die durch Material-Inhomogenitäten verursachte Lichtstreuung nennt man RayleighStreuung. Bedingt durch ungeordnete, mikrokristalline Bereiche innerhalb des
Quarzglases verursacht die Rayleigh-Streuung eine ungleichmäßige Ablenkung der
Lichtstrahlen. Sie ist abhängig von der Wellenlänge des Lichtes und beträgt bei
SiO2 weniger als 0,4 dB/km bei einer Wellenlänge von 1300 nm.
Von Rückstreuung spricht man bei der Übertragung in Lichtwellenleitern. Ein
geringer Bruchteil des Lichtes, das durch Streuung aus seiner Richtung abgelenkt
wurde, gelangt in rückwärtige Richtung. Es läuft also im LwL zum Sender zurück.
Durch Beobachtung des zeitlichen Verlaufs des rückgestreuten Lichts mit Hilfe eines
Strahlteilers am Sender, kann man nicht nur die Länge und Dämpfung eines
installierten Lichtwellenleiters von einem Ende aus messen, sondern auch lokale
Unregelmäßigkeiten.
Die Rückstreuung wird durch die Rayleigh-Streuung und durch Änderungen im
Kernglas verursacht. Wobei das Kernglas selbst durch Querschnittsänderungen
sowie durch so genannte Mikro- und Makrokrümmungen zu der Rückstreuung
beiträgt. Unter Mikrokrümmungen sind fertigungstechnische Toleranzen in der Lage
des Kernglases zum Mantelglas zu verstehen; Makrokrümmungen hingegen
entstehen bei der Kabelverlegung durch Nichteinhaltung des Biegeradius.
Das Maß für die Rückstreuung ist die Rückstreudämpfung, der Logarithmus aus
dem Verhältnis von eingestrahlter zu reflektierter Energie. Die Rückstreudämpfung
ist ein wichtiges Gütekriterium für LwL-Stecker und Spleiße.
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Sekundär-Beschichtung
secondary coating
Die Sekundär-Beschichtung ist eine zweite Schutzschicht für Glasfasern, die als
Hauptbeschichtung dient. Bei dieser Beschichtung handelt es sich um eine
Schutzhülle aus einer Kunststoffkombination, die direkt auf die Primär-Beschichtung
aufgebracht sein kann. Das Secondary-Coating hat die Aufgabe die Faser über einen
definierten Temperaturbereich von ca. -20 °C bis +80 °C vor thermischen Belastungen
zu schützen. Dabei darf die Sekundärbeschichtung selbst die Faser nicht zusätzlich
belasten, da jede Belastung zu Biegungen und Krümmungen führt und damit
zusätzliche Verluste bewirkt. Je nach Glasfaseraufbau kann die SekundärBeschichtung fest oder auch lose über die Primär-Beschichtung gelegt sein. Da keine
Sekundärbeschichtung alle an sie gestellten Forderungen erfüllt, wurden
unterschiedliche Aderversionen entwickelt, die anwendungsspezifische Vorteile
haben. Man unterscheidet daher zwischen Vollader und Hohlader.
Bei der Vollader oder Kompaktader hatte die Sekundärbeschichtung bisher ein
Standardmaß von 900 µm. Die neuen LwL-Stecker setzen allerdings eine
Sekundärbeschichtung von 600µm voraus.
SMF, single mode fiber
Monomodefaser
Die Monomodefaser, auch Einmodenfaser genannt, ist ein Lichtwellenleiter mit
Stufenindex-Profil, bei dem durch einen sehr kleinen Kerndurchmesser, der bei 8 bis
10 µm liegt, das Licht praktisch nur in einer Mode, die quasi parallel zur Achse liegt,
übertragen wird.
Die Monomodefaser zeichnet sich dadurch aus, dass sie praktisch keine
Laufzeitunterschiede aufweist (Modendispersion 0,1 ns/km), da das Licht ja nur in
einer Ausbreitungsrichtung den Lichtwellenleiter durchläuft, das Impulsverhalten
dadurch formgetreu ist, und dass sie über die geringsten Dämpfungswerte aller
Lichtwellenleiter verfügt. Dies drückt sich in einer Dämpfung von 0,1 dB/km (LED
1.300 nm), einem Bandbreitenlängenprodukt von >10 GHz x km und einem
Bitratenlängenprodukt von 250 GHz x km aus. Es können Entfernungen bis zu 100
km ohne Repeater überbrückt werden. Der Manteldurchmesser der Monomodefaser
liegt typischerweise bei 125 µm, der Kerndurchmesser typischerweise bei 10 µm.
Monomodefasern können im Wellenlängenbereich zwischen 1.280 nm und 1.650 nm,
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Aufbau und Strahlverlauf der
Monomodefaser
im 2. oder 3. optischen Fenster, betrieben werden. Daraus ergibt sich eine
theoretische Bandbreite von 53 THz. In der Praxis wurden bereits Werte von 10 Tbit/s
über 100 km erreicht.
Um den gestiegenen Anforderungen der optischen Netze mit der WDM- und DWDMTechnik gerecht zu werden, gibt es dispersionsoptimierte Monomodefasern: Die Non
Dispersion Shifted Fiber (NDSF), die Dispersion Shifted Fiber (DSF) und die Non
Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF), die von der ITU in den Empfehlungen G.650
und folgende standardisiert wurden.
ITU-T G.652: Hierbei handelt es sich um eine Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF)
mit einer minimalen Dispersion bei 1.310 nm. Die Dämpfung beträgt bei 1.550 nm
0,25 dB/km, die Dispersion liegt bei 18 ps/nm bezogen auf ein Kilometer Faser.
Diese Faser eignet sich für den LAN-Bereich mit bis zu 2,5 Gbit/s und für CDWMSysteme mit 4 x 2,5 Gbit/s.
ITU-T G.653: Die unter dieser Empfehlung standardisierte Monomodefaser ist eine
Dispersion Shifted Fiber (DSF) mit minimaler Dispersion bei 1.310 nm. Die
Dämpfung liegt bei 0,25 dB/km bezogen auf eine Lichtquelle mit 1.550 nm.
ITU G.655: Eine Monomodefasr mit Non Zero Dispersion Shifted Fiber und einer
minimalen Dispersion bei 1.550 nm. Die Dämpfung beträgt 0,25 dB/km und die
Dispersion beträgt nur 4 ps/nm, bezogen auf 1 km. Diese Faser ist für DWDMSysteme.
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Spleiß
splice
Ein Spleiß ist eine nicht lösbare Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern, die
sich durch geringste Dämpfungswerte auszeichnet. Es gibt drei SpleißVerbindungen: den Klebespleiß, den Crimp-Spleiß und den Fusions-Spleiß oder
Schmelz-Spleiß.
Beim Klebe-Spleiß werden die Lichtwellenleiter durch ein eng toleriertes Röhrchen
gegeneinander geführt. An der Stoßstelle der beiden LwLs wird durch eine Öffnung
im Führungsröhrchen von außen Klebstoff eingeführt, der für eine dauerhafte
Verbindung sorgt. Klebe-Spleiße sind nur bei Multimodefasern möglich; sie können
vor Ort ausgeführt werden und haben eine Einfügungsdämpfung von 0,2 dB bis 0,7
dB.
Beim Crimp-Spleiß, der bei Multimodefasern und Monomodefasern ausgeführt
werden kann und ein Crimp-Spleißgerät erfordert, wird zwischen die beiden
Glasfasern ein Gel gefüllt. Crimp-Spleiße können ebenfalls vor Ort installiert werden
und sind in den Dämpfungswerten vergleichbar denen des Klebe-Spleißes.
Die am weitesten verbreitete Methode zur unlösbaren Verbindung zweier
Lichtwellenleiter ist die Lichtbogen-Spleißtechnik, auch Fusions-Spleiß oder
Schmelz-Spleiß genannt. Dabei werden die präparierten Faserenden präzise
ausgerichtet (Alignment Technique) und im elektrischen Lichtbogen bei etwa 2000
Grad Kelvin ohne zusätzliche Hilfsmittel direkt miteinander verschweißt. Die
Spleißdämpfung beträgt dabei zwischen 0,03 dB und 0,2 dB.
Streuung
scattering
In Lichtwellenleitern ist die Streuung die Hauptsächliche Ursache für die Dämpfung.
Sie entsteht durch mikroskopische Dichtefluktuation im Glas, die einen Teil des
geführten Lichts so weit aus seiner Richtung ablenken, dass er den Lichtwellenleiter
verlässt. Dieser Vorgang findet in der Rayleigh-Streuung seine Erklärung. Das
Rayleigh-Gesetz besagt, dass mit zunehmender Wellenlänge der Streuverlust mit
vierten Potenz abnimmt. Bei den für die optischen Nachrichtenübertragung
relevanten Wellenlängen von 850 nm und 1.550 nm betragen die Streuverluste bei
1.300 nm ca. 18 % und bei 1.550 nm nur ca. 90 % des Wertes, der bei 850 nm
auftritt.
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Stützelement
supporting element
LwL-Kabel mit
Stützelement
Stufenindex-Profilfaser
SIF, step index fiber
Das Stützelement befindet sich
normalerweise in axialer Richtung in der
Kabelmitte einer Bündelfaser und dient
dazu, das Kabel gegen mechanische
Beanspruchungen in Form von Zug- oder
Stauchbelastungen zu schützen. Das
Stützelement ist dielektrisch und besteht
aus hochbelastbarem EpoxyGlasfiberstab.
Meßmethode in einem Lichtwellenleiter.
Mit dem Backscattering-Verfahren ist es
möglich, die Länge eines
Glasfaserkabels von einem Ende aus zu
messen sowie den Dämpfungsverlauf innerhalb des Kabels. Außerdem lassen sich
Unregelmäßigkeiten, wie schlechte Spleiße, LwL-Stecker und ähnliches aufspüren.
Das Verfahren beruht darauf, den zur Lichtquelle hin reflektierten, also
zurückgestreuten, Strahlenanteil zu messen (OTDR).
Die Stufenindex-Faser hat ihren Namen durch das stufenförmige Ansteigen der
Brechzahl vom Kernglas zum Mantelglas. Bei diesem Lichtwellenleiter ist die
Brechzahl innerhalb des Kerns konstant und durch einen Sprung der Brechzahl an
Brechungsprofil und
Strahlverlauf der
Stufenindexfaser
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der Grenzfläche von Kern und Mantel gekennzeichnet. Die Stufenindex-Profilfaser
hat eine hohe Modendispersion (50 ns/km), die zu großen Laufzeitunterschieden der
Lichtstrahlen und dadurch bedingt zu starken Pulsverbreiterungen führt. Daraus
resultiert eine relativ geringe Übertragungsbandbreite von etwa 100 MHz x km. Die
Stufenindex-Profilfaser wird für kurze Entfernungen über einige hundert Meter
eingesetzt. Typische Werte für den Kerndurchmesser liegen bei 100 µm, 200 µm
bzw. 400 µm und für den Manteldurchmesser bei 200 µm, 400 µm bzw. 500µm.
Die Stufenindex-Profilfaser ist relativ einfach herzustellen, sie hat schlechte
übertragungstechnische Eigenschaften und hat zumindest in der Datenübertragung
kaum noch eine Bedeutung. Man findet sie hin und wieder noch in älteren
Netzwerken.
Vollader
tight buffered cable
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Die Vollader oder Festader zeichnet sich durch einen geringen Durchmesser aus,
weil die beiden Beschichtungen, das Sekundär-Coating und das Primär-Coating, fest
miteinander verbunden sind. Der Lichtwellenleiter ist also unmittelbar von zwei
Schutzschichten umgeben.
Bei der Produktion der Vollader wird in einem Extrusionsprozess die
Sekundärbeschichtung so aufgebracht, dass es zu einem festen Verbund mit dem
Primärbeschichtung kommt. Der Durchmesser beträgt laut DIN 0,9 +0,1 mm. Neuere
LwL-Steckverbindungen setzen allerdings eine Sekundärbeschichtung von 600 µm
voraus.
Da bei der Vollader alle am Mantel angreifenden Längs- und Querkräfte direkt auf
die Faser wirken, müssen die Primärbeschichtung und die Sekundärbeschichtung
optimal aufeinander abgestimmt sein. Über die Sekundärbeschichtung wirken
diverse Kräfte auf die Faser. U.a. Querkräfte, Zugkräfte und Temperatur-abhängige
Kräfte.
Da die Sekundärbeschichtung mit einer Temperatur von ca. 2000 °C aufgebracht
wird und es bei dieser Temperatur zu einem Verbund mit der Primärbeschichtung
kommt, wirken auch Stauchkräfte auf die Faser, weil in der Abkühlphase der
Kunststoff schrumpft. Entsprechend den Ausdehnungskoeffizienten der
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unterschiedlichen Materialien, wird die Faser allen Temperaturänderungen belastet.
Bei der Verlegung der Kabels, so beim Einziehen in Kabelkanäle oder -schächte,
treten beispielsweise Zugkräfte auf die Sekundärbeschichtung, die direkt auf die
Faser wirken. Glasstab, aus dem unmittelbar die Glasfaser gezogen wird. Die
Struktur aus Kernglas und Mantelglas ist bereits in einem vorhergehenden
Arbeitsgang hergestellt worden und bleibt beim Ziehen zur Glasfaser dann
maßstäblich erhalten.
Wellenleiterdispersion
waveguide dispersion
Zugelement
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Dispersionen wirken sich durch eine Verschlechterung der Gruppenlaufzeit und
somit durch eine Verbreiterung der Impulse aus. Die Wellenleiterdispersion, oder
auch Profildispersion, ist abhängig von der Konsistenz des LwL und der
Einstrahlungsquelle. Selbst bei Ansteuerung mittels Laserdiode kann die
Wellenleiterdispersion bei Monomodefasern und großen Entfernungen zum Problem
werden.
Das Zugelement dient der Zugentlastung und schützt das Glasfaser-Kabel bei der
Verlegung und beim Betrieb vor Beschädigung. Es handelt sich dabei um Kevlaroder Aramidgarn, die unterhalb des Kabelaußenmantels liegen.
Zugentlastung
Zugentlastungen sind mechanische Vorrichtungen in die Kabel eingeklemmt oder
durch Schraubverschluss befestigt werden. Sie entlasten und schützen den
Kabelanschluss gegen Zugbelastungen. Zugentlastungen findet man in allen
Steckertechniken, in Anschlussdosen, in Auflegefeldern und in Spleißeinrichtungen.
Selbst Spleiße werden durch mechanische Klemmvorrichtungen gegen Zugkräfte
geschützt.
Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeit ist ein Maß für die mechanische Beanspruchung beim Verlegen
des Kabels oder Lichtwellenleiters. Die Zugfestigkeit gibt das Verhalten der
Dämpfung und die Faserdehnung in Abhängigkeit von der Zugbelastung an. Dieses
Verfahren ist in EN 18700 Methode 501 beschrieben.
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