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Computerhardware: Netzwerk: Kabel: Glasfaser

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Kupferleitungen für die Informationsübertragung sind weit verbreitet. Sie sind leicht zu verlegen und relativ preiswert, wenn die Länge einige Kilometer nicht überschreitet. Je höher die für die Übertragung benutzte Trägerfrequenz ist, desto mehr Informationen können übertragen werden. Allerdings steigen die Verluste (die Dämpfung) mit steigender Frequenz an. Bei Koaxial-Weitverkehrskabeln, die mit einer Frequenz von 0,5 GHz arbeiten (das ist der UHF-Frequenzbereich des analogen Fernsehens), ist die Dämpfung so hoch, dass etwa alle 1,5 km Verstärker eingebaut werden müssen[1]. Wesentlich höhere Frequenzen sind mit Kupferkabeln nicht zu erreichen.

Licht kann viel mehr Daten übertragen, denn es hat eine wesentlich höhere Frequenz: Langwelliges rotes Licht mit einer Wellenlänge von 750 nm entspricht einer Frequenz von 400.000 GHz. Mit welchen Kabeln kann das Licht vom Sender zum Empfänger geleitet werden?

Die Lichtleitertechnik ist ein alt bewährtes Prinzip, bei der elektrische Signale in Lichtsignale umgewandelt werden. Als Lichtsender werden preiswerte LED-Dioden für niedrige Frequenzen (bis 34 Mbit/s) und Laserdioden für höhere Frequenzen verwendet[2]. Wenn die Fasern des Licht-Wellen-Leiters (Abkürzung: LWL) aus Glas bestehen, wird er als „Glasfaser“ bezeichnet. Für kurze Entfernungen werden auch Kunststoff-Fasern verwendet. Am Ende der Übertragung werden die Lichtimpulse von einer Fotodiode in ein elektrisches Signal zurückverwandelt.

Licht breitet sich mit fast 300 000 km/s geradlinig aus. Wie kommt das Licht aber durch ein gebogenes Kabel?

Übertragungsprinzip

Im Kern wird das Licht weitergeleitet. Der Kern ist von einem Mantel umgeben. Der Kern besteht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als der Mantel. An der Grenzfläche zweier Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex werden Lichtstrahlen gebrochen (der obere Strahl in der Zeichnung). Sie kennen den Effekt: Ein Löffel im Wasserglas scheint an der Wasseroberfläche geknickt aus. Wenn der Lichtstrahl in einem ausreichend flachen Winkel auf die Grenzfläche trifft, wird er ins Innere der Faser zurück reflektiert. Sofern das Kabel nicht zu stark gekrümmt ist, gelangt der Lichtstrahl nach mehreren Reflexionen nahezu verlustfrei ans andere Ende.

Aus der Zeichnung ist ein Problem zu erkennen: Je nach dem Winkel, in dem die Strahlen in das Kabel eintreten, werden sie unterschiedlich oft reflektiert und haben deshalb einen unterschiedlich langen Weg zurückzulegen. Den kürzesten Weg hat ein Strahl, der genau in der Mitte verläuft. Ein kurzes Lichtsignal wird dadurch gewissermaßen „verlängert“ und abgeschwächt. Deshalb ist die mögliche Länge eines solchen Kabels auf etwa ein Kilometer begrenzt. So ein Kabel wird als „Multimodefaser mit Stufenprofil“ bezeichnet. „Mode“ bedeutet hier „Lichtstrahl“. Eine Multimodefaser ist also eine Faser, in der mehrere Lichtstrahlen unterwegs sind.

Wie kann man die Reichweite vergrößern? Gegenwärtig gibt es zwei Verfahren:

  • Wenn man den Durchmesser der Glasfaser drastisch verkleinert (von 200 auf 8 µm), passt nur noch ein Lichtstrahl durch. Eine derart dünne Faser wird als „Mono-Node-Faser“ bezeichnet.
  • Wenn der Brechungsindex von innen nach außen allmählich ansteigt, erhält man eine „Multimodefaser mit Gradientenprofil“. Die unter verschiedenen Winkeln eintretenden Strahlen werden allmählich zur Fasermitte gebogen. Schon nach wenigen Zentimetern laufen alle Strahlen durch die Mitte der Faser.

Multimodefaser mit StufenprofilBearbeiten

Multimodefasern mit Stufenprofil haben einen Durchmesser von 200 µm. Durch sie werden mehrere Lichtwellen gleichzeitig geschickt. An den Wänden der Faser wird das Signal hart reflektiert. Das Ausgangssignal wird dadurch schlechter. Sie werden z.B. als Verbindungskabel im Patchschrank verwendet.

Multimodefaser mit GradientenprofilBearbeiten

Multimodefasern mit Gradientenprofil haben einen Durchmesser von 50 µm. Durch sie werden mehrere Lichtwellen gleichzeitig geschickt. An den Wänden der Faser wird das Signal weich reflektiert. Das Ausgangssignal ist noch sehr gut. Sie werden für Verbindungen von Gebäuden oder Etagen eingesetzt.

MonomodefaserBearbeiten

Singlemodefasern oder Monomodefasern haben einen Durchmesser von 10 µm. Durch sie werden die Lichtwellen gerade hindurchgeleitet. Sie werden für weite Strecken eingesetzt. Etwa 100 km lassen sich überbrücken, dann muss ein Zwischenverstärker folgen.

Kabeltyp Durchmesser
Kern/Gesamt
Bandbreite
1 km
Verwendung
Multimode mit Stufenprofil 200 µm / 500 µm
100 / 400 Mikrometer
100 MHz Entfernungen bis 1 km
Multimode mit Gradientenprofil 50 µm / 125 µm 1 GHz LAN, Backbone, ATM 655 MHz
Monomode mit Stufenprofil 8 µm / 125 µm 100 GHz Weitverkehrskabel, Ozeankabel

Durch die Verwendung unterschiedlicher Farben (Frequenzen) lassen sich auf einem Lichtwellenleiter mehrere Datenkanäle unabhängig betreiben. Das macht die Lichtwellenleiter zum derzeit besten Übertragungsmedium. Die ITU hat sechs Frequenzbereiche (Farben) für Glasfaserübertragungen definiert. Als Übertragungstechnik dient DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), ein rein optisches Multiplexsystem. Es arbeitet ähnlich wie Farbfilter, die nur genau definierte Wellenlängen des Lichtes (Farbspektrum) durchlassen.

Wie werden die Kabel hergestellt?Bearbeiten

Für die Herstellung von Multimodefasern mit Stufenprofil wird ein Glasstab angefertigt, der aus zwei Glassorten besteht. Der innere Kern hat einen höheren Brechungsindex als der Mantel. Für die Herstellung von Gradientenindexfasern braucht man mehrere Glassorten mit nach außen abnehmendem Brechungsindex. Dieser Glasstab wird in der Spitze eines hohen Turms aufgehängt und erhitzt. Wenn sich der erste Schmelztropfen löst, zieht er einen dünnen Faden hinter sich her, bestehend aus Mantel und Kern. Der Faden wird ummantelt und aufgewickelt.

Um die Faser vor Beschädigungen zu schützen, ist deren Mantel in eine weiche Plaste eingebettet. Dann folgt eine Zugentlastungs-Schutzschicht und zum Abschluss eine Plastehülle. Wenn mehrere Glasfasern in einem Kabel enthalten sind, nennt man es „Bündeladerkabel“. Mehrere Glasfasern stecken in einem Plasterohr, das mit wasserabweisendem Gel gefüllt wird.


 
Transozeankabel, etwa 50 mm Durchmesser

Seit 1988 verbindet das erste Glasfaser-Seekabel Europa und Amerika auf einer Länge von 3600 km. Seekabel müssen hervorragend geschützt werden. Von innen nach außen sehen Sie:

  • Optic fibers: mehrere Glasfasern mit ihrem Mantel, eingebettet in „Petroleum Jelly“ (Gel)
  • Aluminium tube: ein Aluminiumrohr
  • Polycarbonate: eine Polycarbonat-Schicht
  • Aluminium water barrier
  • Steel wires: Stahldrahtadern als Schutz und zur Zugentlastung
  • Mylar tape
  • Polyetylene

Das Kabel wird in einen etwa ein Meter tiefen Graben gelegt, der im Meeresboden mit Wasserstrahlen ausgehoben wird. Wenn der Boden felsig ist, erhält das Kabel einen zusätzlichen Stahlmantel. Seekabel sind trotz Satellitentechnik unverzichtbar. Jedes einzelne hat einen um Größenordnungen höheren Datendurchsatz als ein Satellit. Außerdem sind die Verzögerungszeiten geringer. Den 3600 km von Europa nach USA über Kabel stehen 72.000 km über einen geostationären Satelliten gegenüber (für die das Signal eine Viertelsekunde braucht).

Verlegen und verarbeitenBearbeiten

Um eine Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern herzustellen, müssen die beiden Enden verschmolzen oder verklebt werden. Das „Spleißen“ ist ein sehr aufwändiges Verfahren, das unter einem Mikroskop durchgeführt wird. Die Glasadern mit dem Durchmesser eines Haares müssen exakt senkrecht durchgeschnitten werden, ohne dass die Glasfaser splittert, und anschließend werden die Kontaktflächen poliert. Die haarfeinen Fasern müssen sich genau gegenüberstehen, ohne dass ein Knick entsteht, andernfalls werden die Lichtverluste zu groß.

Vor- und NachteileBearbeiten

Lichtwellenleiter bieten gegenüber dem Kupferkabel entscheidende Vorteile:

  • Lichtwellenleiter strahlen keine Energie ab. Sie können in großer Zahl gebündelt werden, auch parallel mit anderen Versorgungsleitungen. Es gibt keine elektromagnetische Störeinflüsse.
  • Wegen der optischen Übertragung sind Störstrahlungen, Kontakt- und Masseprobleme nicht vorhanden.
  • Entfernungsbedingte Verluste des Signals wegen Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen treten nicht auf.
  • Übertragungsraten sind durch mehrere Trägerwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Farbspektrum) fast unbegrenzt erweiterbar.
  • Lichtwellenleiter sind erheblich teurer als Kupferleitungen: Die Materialkosten sind höher und vor allem die Kosten für das Verbinden der Adern (Spleißen) sind sehr hoch. Dafür haben sie eine erheblich geringere Dämpfung und eignen sich auch für weitere Strecken.
  • Glasfasern können mit geeigneten Mitteln einfach abgehört werden. Das Abhören kann ohne Unterbrechung der Kommunikation und bei ambitionierten Abhörmethoden auch ohne messbare Dämpfung erfolgen. Stichworte dazu sind: Splitter-/Coupler-Methoden, Non-touching Methoden
Wollen Sie mehr über Lichtleiter wissen?



Quellen

  1. Verstärker in Koaxialkabeln alle 1,5 km http://www.ksi.at/online-kataloge/kat9A/9A-I/9-I.pdf
  2. LED-Dioden sind bis 34 Mbit/s verwendbar http://www.schultreff.de/referate/physik/r0028t00.htm