Dieter Eberlein, Christina Manzke, Ralph Sattmann

Lichtwellenleiter-Technik

12., überarbeitete und erweiterte Auflage

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ISBN 978-3-8169-3520-9 (Print)

ISBN 978-3-8169-8520-4 (ePDF)

ISBN 978-3-8169-0028-3 (ePub)

Vorwort zur 12. Auflage

Die Lichtwellenleiter-Technik spielt eine entscheidende Rolle in der Telekommunikation. Lichtwellenleiter werden genutzt zur Übertragung von Diensten mit hohen Datenraten sowohl über kurze als auch über lange Strecken. Cloud-basierte Anwendungen, Audio-Video-Dienste und Video-on-Demand führen zu einem unersättlichen Datenhunger. Die Nachfrage nach Lichtwellenleitern boomt.

Neben Weitverkehrsanwendungen dringt die Faser zunehmend in die Fläche ein. Die Fasern enden immer dichter an den Wohnungen, Büros und Funkmasten. Ein 1 Gbit/s bis zum Teilnehmer ist bereits Realität.

Die Errichtung von 5G-Netzen erfordert einen engmaschigen Ausbau der LWL-Netze. Die Faser wird genutzt, um die Daten an den Antennen zu sammeln und zu verarbeiten.

Der Lichtwellenleiter spielt auch eine große Rolle in Rechenzentren. Dort müssen zunehmend höhere Bandbreiten übertragen werden.

Durch Wellenlängenmultiplex, moderne Modulationsverfahren, Polarisationsmultiplex und kohärente Empfänger können riesige Datenmengen über Lichtwellenleiter übertragen werden. 400 Gbit/s-Systeme (pro Wellenlänge) sind angekündigt und werden getestet. Kommerziell verfügbare DWDM-Systeme ermöglichen eine Übertragungskapazität von 128 Wellenlängen á 100 Gbit/s je Faser (12,8 Tbit/s).

In der überarbeiteten und erweiterten 12. Auflage wurde unter anderem folgende Aspekte berücksichtigt:

•Trends bei der Entwicklung und beim Einsatz von Transceivern

•aktualisierte Messvorschrift der Deutschen Telekom zur Messung an FTTH-Netzen

•Aktualisierung der gültigen Normen

Den Mitautoren dieses Buches gilt mein Dank für die kollegiale Zusammenarbeit. Bei Herrn Christoph Schmickler (Netze BW GmbH) bedanke ich mich für seine hilfreichen Hinweise, bei meiner Tochter Julia für die Bearbeitung der Zeichnungen.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 12. Auflage

Inhaltsverzeichnis

1Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik

Dieter Eberlein, Ralph Sattmann (Abschnitt 1.2)

1.1Physikalische Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik

1.1.1Prinzip der optischen Informationsübertragung

1.1.2Vor- und Nachteile der LWL-Übertragung

1.1.3Elektromagnetisches Spektrum

1.1.4Signalausbreitung im Lichtwellenleiter

1.1.5Dämpfung im Lichtwellenleiter

1.1.5.1Definition der Dämpfung

1.1.5.2Dämpfungseffekte im Lichtwellenleiter

1.1.6Zusammenfassung

1.2Materialien und Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiter

1.2.1Quarzglas

1.2.2Herstellung von Quarzglas-Lichtwellenleitern

1.2.2.1Herstellung eines Kernstabes

1.2.2.2Herstellung der Vorform

1.2.2.3Faserziehen

1.2.2.4Verkabelung

1.3Lichtwellenleiter-Typen und Dispersion

1.3.1Stufenprofil-Lichtwellenleiter und Modendispersion

1.3.1.1Strahlausbreitung im Stufenprofil-LWL

1.3.1.2Dispersion im Stufenprofil-LWL

1.3.1.3Typen von Stufenprofil-LWL

1.3.2Gradientenprofil-Lichtwellenleiter und Profildispersion

1.3.2.1Strahlausbreitung im Gradientenprofil-LWL

1.3.2.2Dispersion im Gradientenprofil-LWL

1.3.2.3Numerische Apertur im Gradientenprofil-LWL

1.3.2.4Typen von Gradientenprofil-LWL

1.3.3Vergrößerung Bandbreite-Längen-Produkt

1.3.3.1Parabelprofil-LWL mit optimiertem Brechzahlprofil

1.3.3.2Materialdispersion

1.3.4Biegeunempfindlicher Multimode-LWL

1.3.5Standard-Singlemode-Lichtwellenleiter und chromatische Dispersion

1.3.5.1Wellenausbreitung im Singlemode-LWL

1.3.5.2Dispersion im Singlemode-LWL

1.3.5.3Wellenleiter Dispersion

1.3.5.4Chromatische Dispersion

1.3.5.5Eigenschaften des Singlemode-LWL

1.3.5.6Parameter Standard-Singlemode-LWL

1.3.6Singlemode-LWL mit reduziertem Wasserpeak

1.3.7Dispersionsverschobener Singlemode-LWL

1.3.8Cut-off shifted Lichtwellenleiter

1.3.9Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter

1.3.10NZDSF für erweiterten Wellenlängenbereich

1.3.11Lichtwellenleiter mit reduzierter Biegeempfindlichkeit

1.3.11.1Kategorie A

1.3.11.2Kategorie B

1.3.11.3Praktische Aspekte

1.3.12Kategorien von Singlemode-LWL

1.3.13Trends bei der Faserentwicklung

1.3.13.1Weiterentwicklung des Standard-Singlemode-LWL

1.3.13.2Fasern mit reduziertem Coating-Durchmesser

1.3.13.3Fasern für Raummultiplex

1.3.14Polarisationsmodendispersion (PMD)

1.3.14.1PMD-Effekt

1.3.14.2PMD-Koeffizient

1.3.14.3Polarisationsmodendispersion optischer Bauelemente

1.3.14.4Auswahl der zu messenden Fasern

1.3.14.5PMD-Koeffizient langer Strecken

1.3.15Alterung von Lichtwellenleitern

1.3.15.1Materialeigenschaften

1.3.15.2Durchlauftest und Risswachstum

1.3.15.3Statistische Beschreibung der Ausfallwahrscheinlichkeit

1.3.15.4Richtlinien für zulässige Faserspannungen

1.3.15.5Richtlinien für zulässigen Biegeradien

1.3.15.6Effekte, die die Lebensdauer der Faser herabsetzen

1.3.15.7Allgemeine Hinweise zur Faserhandhabung

1.3.15.8Faserhandhabung beim Spleißen

1.3.16Zusammenfassung

1.4Optoelektronische Bauelemente

1.4.1Elektrooptische Wechselwirkungen im Halbleiter

1.4.2Lumineszenzdioden

1.4.3Laserdioden

1.4.3.1Arten von Laserdioden

1.4.3.2Kenngrößen und Eigenschaften von Laserdioden

1.4.4Empfängerdioden

1.4.4.1PIN-Photodiode

1.4.4.2Lawinen-Photodiode

1.4.4.3Wichtige Eigenschaften von Empfängerdioden

1.4.5Transceiver

1.4.5.1Übersicht Transceiver

1.4.5.2Gigabit Interface Converter (GBIC)

1.4.5.3Small Form Factor Pluggable (SFP)

1.4.5.4Nomenklatur von Ethernet-Transceivern

1.4.5.5Reichweiten entsprechend Ethernet-Standard IEEE 802.3

1.4.5.6Ausblick

1.4.6Zusammenfassung

1.5Literatur

2Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern

Dieter Eberlein

2.1Allgemeine Eigenschaften

2.2Koppelverluste zwischen Lichtwellenleitern

2.2.1Verluste zwischen Multimode-LWL

2.2.2Verluste zwischen Singlemode-LWL

2.3Stirnflächenkontakt

2.3.1Stecker mit ebener Stirnfläche

2.3.2Stecker mit physischem Kontakt

2.3.3Schrägschliffstecker

2.3.4APC/HRL-Stecker

2.4Verdrehsicherung

2.5Stift-Hülse-Prinzip

2.6Verringerung der Steckerdämpfung

2.6.1Ablageverfahren

2.6.2Prägeverfahren

2.7Dämpfungs- und Reflexionsklassen

2.8Steckertypen

2.8.1Farbmarkierungen

2.8.2Herkömmliche Steckertypen

2.8.3Small-Form-Factor-Stecker

2.8.4Spezielle Steckerlösungen

2.9Trends der lösbaren Verbindungstechnik

2.9.1Stecker für den Outdoorbereich

2.9.2Erhöhung der Faserpackungsdichte

2.9.2.1Datenübertragung in Rechenzentren

2.9.2.2Mehrfaserstecker

2.9.2.3URM-Stecker

2.9.2.4CS-, SN- und MDC-Stecker

2.9.3Stecker für die Leiterplattenkopplung

2.9.4Selbstreinigende Steckeroberflächen

2.10Sorgfalt im Umgang mit Steckverbindern

2.10.1Auswirkungen von Verschmutzungen

2.10.2Ursachen für Verunreinigungen

2.10.3Steckerreinigung

2.10.4Sichtprüfung an Steckerstirnflächen

2.11Literatur

3Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen

Christina Manzke

3.1Einführung

3.2Fusionsspleißen

3.2.1Einflussfaktoren

3.2.1.1Intrinsische Faktoren

3.2.1.2Extrinsische Faktoren

3.2.2Spleißvorbereitung

3.2.2.1Vorbereitung des Arbeitsplatzes

3.2.2.2Kabelvorbereitung

3.2.2.3Faservorbereitung

3.2.3Spleißen

3.2.3.1Justage der Fasern

3.2.3.2V-Nut-Geräte

3.2.3.33-Achsen-Geräte

3.2.3.4Verschmelzen der Fasern

3.2.3.5Selbstjustageeffekt

3.2.3.6Becksche Linie

3.2.4Bestimmen der Spleißdämpfung

3.2.5Zugfestigkeit

3.2.6Spleiße mit hoher Festigkeit

3.2.7Schutz des Spleißes

3.3Spezielle Spleiße

3.3.1Faserbändchen

3.3.1.1Vorbereiten der Faserbändchen

3.3.1.2Spleißen der Faserbändchen

3.3.1.3Grenzwerte für die Spleißdämpfung

3.3.1.4Schutz des Spleißes

3.3.1.5Abschluss der Strecke

3.3.2Spleißen unterschiedlicher Fasern

3.3.2.1Standard-Singlemode-LWL auf biegeoptimierte Lichtwellenleiter (BIF)

3.3.2.2Standard-Singlemode-LWL auf NZDS-LWL

3.3.2.3Singlemode-LWL auf hochdotierte Spezialfasern

3.3.2.4Singlemode-LWL auf Multimode-LWL

3.3.3Spleißen polarisationserhaltender Fasern

3.4Ausblick

3.5Literatur

4Lichtwellenleiter-Messtechnik

Dieter Eberlein

4.1Allgemeine Hinweise

4.2Messung von Leistungen und Dämpfungen

4.2.1Definierte Anregung des Multimode-LWL

4.2.2Leistungsmessung

4.2.3Dämpfungsmessung

4.2.3.1Praktische Hinweise

4.2.3.2Auswertung der Messergebnisse

4.2.3.3Normen zur Dämpfungsmessung

4.2.3.4Dämpfungsmessungen an Steckern

4.2.3.5Dämpfungsmessungen an Leitungen

4.2.3.6Hoch genaue Dämpfungsmessung

4.2.3.7Allgemeine Hinweise nach DIN ISO/IEC 14763-3

4.2.4Zusammenfassung

4.3Optische Rückstreumessung

4.3.1Prinzip der Rückstreumessung

4.3.2Rückstreukurve als Messergebnis

4.3.3Interpretation der Ereignistabelle

4.3.4Gestreute und reflektierte Leistungen

4.3.4.1Rayleighstreuung

4.3.4.2Reflektierende Ereignisse

4.3.5Zusammenfassung

4.4Analyse von Rückstreudiagrammen

4.4.1Interpretation der Rückstreukurve

4.4.1.1Längenmessung

4.4.1.2Dämpfungsmessung

4.4.2Auswertung problematischer Rückstreudiagramme

4.4.2.1Prinzip der bidirektionalen Messung

4.4.2.2Vorteile der bidirektionalen Messung

4.4.2.3Änderung der Rückstreudämpfung an der Koppelstelle

4.4.2.4Quasibidirektionalen Rückstreumessung

4.4.3Kopplung von SM-LWL mit unterschiedlichen Modenfelddurchmessern

4.4.4Zusammenfassung

4.5Interpretation der Messergebnisse

4.5.1Vergleich zwischen Dämpfungs- und Rückstreukurve

4.5.2Mittelung der Messergebnisse

4.5.3Zusammenfassung

4.6Parameter und Definitionen

4.6.1Dynamik

4.6.2Impulswiederholrate

4.6.3Impulslänge und Auflösungsvermögen

4.6.4Totzonen

4.6.5Weitere Parameter

4.6.6Zusammenfassung

4.7Praktische Hinweise zur Rückstreumessung

4.7.1Allgemeine Hinweise

4.7.2Vor- und Nachlaufprüfschnur

4.7.2.1Vorteile

4.7.2.2Einseitige Messung mit Vorlauf-LWL

4.7.2.3Beidseitige Messung mit Vor- und Nachlauf-LWL

4.7.3Geisterreflexionen

4.7.4Auswertung und Dokumentation

4.7.5Fehlanpassungen

4.7.5.1Unterschiedliche LWL-Parameter

4.7.5.2Unterschiedliche Steckerstirnflächen

4.7.5.3Unterbrochener physischer Kontakt

4.7.5.4Gleiche Steckerstirnflächen

4.7.5.5Zusammenfassung

4.7.6Kriterien zur Beurteilung der Qualität der installierten Strecke

4.7.6.1Allgemeine Hinweise Abnahmevorschriften

4.7.6.2Vorschlag Abnahmevorschrift Multimode-LWL

4.7.6.3Vorschlag Abnahmevorschrift Singlemode-LWL

4.7.7Zusammenfassung

4.8Reflexionsmessungen

4.9LWL-Überwachungssysteme

4.9.1Dunkelfasermessung

4.9.2Messung der aktiven Faser

4.10Messungen an DWDM-Systemen

4.10.1Modifikation der herkömmlichen Messungen

4.10.2Spektrale Messungen

4.10.3Dispersionsmessungen

4.10.4Zusammenfassung

4.11Literatur

5Fiber-to-the-Home/Building

Dieter Eberlein

5.1Anforderungen an die Bandbreite

5.2Netzstrukturen

5.2.1Ethernet-Punkt-zu-Punkt (EP2P)

5.2.2Punkt-zu-Multi-Punkt

5.2.2.1Aktives optisches Netz (AON)

5.2.2.2Passives optisches Netz (PON)

5.2.3Vergleich der Varianten

5.3Offene Infrastruktur

5.4Wellenlängenbelegung bei FTTx

5.5Normen

5.5.1Breitband-PON

5.5.2Gigabit-PON

5.5.3Gigabit-Ethernet-PON

5.5.4Next-Generation PON

5.5.5Downstream 10 Gbit/s

5.5.6TWDM-PON

5.5.7Wellenlängenmultiplex-PON (P2P WDM-PON)

5.5.8Zusammenfassung FTTx-Varianten

5.6Passive Komponenten

5.6.1Steckverbinder

5.6.2Lichtwellenleiter

5.6.3Kabel für FTTx-Projekte

5.6.4Koppler

5.6.5Ratgeber für Planung und Bau (DTAG)

5.7Aktive Komponenten

5.7.1Sender

5.7.2Empfänger

5.7.3Optische Verstärker

5.8Faserabschluss beim Teilnehmer

5.8.1Pigtail mit Fusionsspleißgerät anspleißen

5.8.2Pigtail mit mechanischem Spleißgerät anspleißen

5.8.3Stecker mit Fusionsspleißgerät anspleißen

5.8.4Stecker mit mechanischem Spleißgerät anspleißen

5.8.5Verlegung vorkonfektionierter Kabel

5.9Budgetplanung

5.10Normung

5.11Messungen an FTTH/B-Netzen

5.11.1Allgemeine Hinweise

5.11.2Empfehlungen der Deutschen Telekom

5.12Förderung durch den Bund

5.13Zusammenfassung

5.14Literatur

6Optische Übertragungssysteme

Dieter Eberlein

6.1Planung von LWL-Strecken aus physikalischer Sicht

6.1.1Allgemeine Regeln

6.1.2Planung des Dämpfungsbudgets

6.1.3Pegeldiagramm

6.1.4Dispersion in Lichtwellenleitern

6.1.4.1Chromatische Dispersion

6.1.4.2Dispersionstoleranz

6.1.4.3Kompensation der chromatischen Dispersion

6.1.5Systemplanung

6.1.6Zusammenfassung

6.2Mehrkanalübertragung über MTP/MPO-Stecker

6.2.1Einsatzfälle

6.2.2Mehrkanalübertragung

6.2.3Beschaltungsmöglichkeiten

6.2.4Dämpfungsmessung an Mehrfaserkabeln

6.3Realisierung hoher Bandbreiten mit Multimode-LWL

6.3.1Von Ethernet zu 10-Gigabit-Ethernet

6.3.240/100-Gigabit-Ethernet

6.3.3Physikalische Begrenzungen

6.3.4Bandbreiten-Definitionen

6.3.4.1LED-Bandbreite

6.3.4.2EMB-Bandbreite

6.3.4.3minEMBc-Bandbreite

6.3.5Kategorien von Multimode-Lichtwellenleitern

6.3.6Zusammenfassung

6.4Systeme mit Kunststoff-Lichtwellenleitern

6.4.1Eigenschaften von Kunststoff-Lichtwellenleitern

6.4.2Komponenten für Kunststoff-LWL-Systeme

6.4.3Verbindungstechnik

6.4.4Passive optische Komponenten

6.4.5Einsatz von Kunststoff-Lichtwellenleitern

6.4.6Weitere Entwicklungen

6.4.7Zusammenfassung

6.5Optische Freiraumübertragung

6.5.1Vergleich mit herkömmlichen Verfahren

6.5.2Einsatzfelder

6.5.3Prinzip der optischen Freiraumübertragung

6.5.4Besonderheiten der optischen Freiraumübertragung

6.5.5Optische Freiraumübertragungssysteme

6.5.6Budgetkalkulation

6.5.7Zusammenfassung und Ausblick

6.6Literatur

7Anhang

Dieter Eberlein

7.1Abkürzungen

7.2Formelzeichen und Maßeinheiten

7.3Fachbegriffe

8Stichwortverzeichnis

9Autorenverzeichnis

1Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik

Dieter Eberlein, Ralph Sattmann (Abschnitt 1.2)

Der Lichtwellenleiter (LWL) durchdringt alle Lebensbereiche und löst zunehmend den Kupferleiter ab:

•Der Kunststoff-LWL (POF: Polymer Optical Fiber) dient der Kurzstreckenübertragung. Er wird millionenfach im PKW oder im Wohnbereich eingesetzt.

•Der PCF-LWL (PCF: Polymer Cladded Fiber) wird vor allem im industriellen Bereich mit starken elektromagnetischen Störungen verwendet.

•Herkömmliche Gradientenprofil-LWL dienen der Inhouse-Verkabelung bei geringen Anforderungen an die Bandbreite.

•Gradientenprofil-LWL mit optimiertem Brechzahlprofil sind für die breitbandige Inhouse-Verkabelung geeignet (Gigabit-Ethernet, 10 Gigabit-Ethernet, 40 Gigabit-Ethernet, 100 Gigabit-Ethernet), speziell in Rechenzentren.

•Mit Hilfe des Wellenlängenmultiplex (WDM: Wavelength Division Multiplex, CWDM: Coarse Wavelength Division Multiplex, DWDM: Dense Wavelength Division Multiplex) gelingt es, die Übertragungskapazität des Lichtwellenleiters zu vervielfachen und damit riesige Übertragungskapazitäten zu erreichen.

•Weltweit hat FTTH (Fiber to the Home) bzw. FTTB (Fiber to the Building) eine sehr große Bedeutung erlangt. Privathaushalte erhalten über einen Lichtwellenleiter direkt breitbandige Dienste wie Sprache, Daten und Video. International werden derzeit 100 Mbit/s als Standard-Zugangsrate betrachtet. 1 Gbit/s-Netze sind mittlerweile verfügbar.

•5G erfordert massiven Ausbau der LWL-Netze.

1.1Physikalische Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik

In diesem Abschnitt beschreiben wir die physikalischen Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik. Ausgehend vom Prinzip der optischen Informationsübertragung werden die wesentlichen Bestandteile eines solchen Systems erläutert und die wichtigsten Vorteile gegenüber herkömmlichen Übertragungssystemen herausgestellt. Auch die Ursachen für die Begrenzung der Leistungsfähigkeit von LWL-Systemen werden erwähnt.

Die Darstellung des elektromagnetischen Spektrums zeigt, wo der optische Bereich, der für die LWL-Übertragung genutzt wird, einzuordnen ist.

Das Prinzip der Signalausbreitung im Multimode-LWL wird anhand der Totalreflexion veranschaulicht. Um diese zu gewährleisten, müssen bestimmte Anforderungen bei der Einkopplung des Lichts in den Lichtwellenleiter erfüllt werden.

So ist innerhalb eines Akzeptanzkegels einzukoppeln. Die Einführung des Begriffes der numerischen Apertur des Lichtwellenleiters zeigt, wodurch dieser Akzeptanzkegel beeinflusst wird.

Schließlich wird die Dämpfung im Lichtwellenleiter definiert, typische Dämpfungseffekte im Lichtwellenleiter erläutert und ihre Auswirkungen auf den spektralen Dämpfungsverlauf des Lichtwellenleiters gezeigt.

1.1.1Prinzip der optischen Informationsübertragung

Die optische Informationsübertragung ist mit Hilfe von Lichtwellenleitern oder über die Freiraumausbreitung möglich. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich im Wesentlichen auf den Lichtwellenleiter. Kurze Entfernungen können unter gewissen Bedingungen auch mit der optischen Freiraumübertragung überbrückt werden (Abschnitt 6.5).

Ein elektrisches Signal moduliert in einem Sendemodul einen optischen Träger und erzeugt damit ein optisches Signal. Die Modulation kann analog oder digital erfolgen.

Der Sender muss sehr kleine Abmessungen haben, um effektiv in den kleinen Kern des Lichtwellenleiters einkoppeln zu können. Darüber hinaus muss das Bauelement mit sehr hohen Datenraten (bis in den Gigabit-Bereich) modulierbar sein. Diese Anforderungen werden nicht von herkömmlichen Bauelementen (zum Beispiel Glühbirne) erfüllt.

Es wurden optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Halbleitermaterialien entwickelt, die die genannten Kriterien erfüllen. Als Sender kommen Lumineszenzdioden oder Laserdioden zum Einsatz (Abschnitt 1.4.2 und 1.4.3).

Das optische Signal der Senderdiode wird in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. Es ist auf eine hohe Qualität der Einkopplung zu achten, um die Koppelverluste möglichst gering zu halten. Das Prinzip der optischen Informationsübertragung wird in Bild 1.1 dargestellt.

Bild 1.1: Prinzip der optischen Informationsübertragung

Der Lichtwellenleiter kann für geringe Anforderungen ein Multimode-Stufenprofil-LWL, beispielsweise ein Kunststoff-LWL oder ein PCF (Polymer Cladding Fiber) sein. Für höhere Anforderungen kommt der Gradientenprofil-LWL zum Einsatz. Höchste Anforderungen bezüglich Dämpfung und Dispersion erfüllen Singlemode-LWL (vergleiche Abschnitt 1.3.5).

Am Ende der Übertragungsstrecke wird das optische Signal mit Hilfe des Empfängers in ein elektrisches Signal gewandelt, gegebenenfalls verstärkt und demoduliert. Die optisch-elektrische Wandlung übernimmt eine PIN- bzw. Lawinen-Photodiode (vergleiche Abschnitt 1.4.4).

Das Übertragungssystem kann dämpfungsbegrenzt oder dispersionsbegrenzt sein. Dämpfungsbegrenzung heißt, dass die maximal realisierbare Streckenlänge durch die Dämpfung im System begrenzt wird. Genauer gesagt: Die am Empfänger ankommende Leistung darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, damit das Signal noch fehlerfrei oder mit einer noch zulässigen Fehlerrate detektiert werden kann.

Die Dämpfungsbegrenzung wird nicht nur durch eine zu hohe Streckendämpfung verursacht, auch die Höhe der eingekoppelten Leistung und die Empfindlichkeit des Empfängers spielen eine wichtige Rolle.

Dispersionsbegrenzung heißt, dass die maximal realisierbare Streckenlänge durch die Dispersion im System begrenzt wird. Dispersion verursacht eine Impulsverbreiterung während der Ausbreitung entlang des Lichtwellenleiters (vergleiche Bild 1.17).

Die Auswahl der geeigneten Komponenten (Typ des Senders, Lichtwellenleiters und Empfängers) wird durch die jeweiligen Anforderungen an das Übertragungssystem bestimmt. Dabei ist es sinnlos, einen hohen Aufwand zur Reduktion der Dämpfung zu treiben, wenn das System dispersionsbegrenzt ist und umgekehrt. Bei der Erfüllung der beiden Forderungen sollte man optimieren (Abschnitt 6.1).

1.1.2Vor- und Nachteile der LWL-Übertragung

LWL-Übertragungssysteme haben im Vergleich zu konventionellen, also auf Kupferkabeln basierenden Systemen eine Reihe gravierender Vorteile.

Mit elektrischen Multiplexverfahren werden heute 2,5 Gbit/s-, 10 Gbit/s-, 40 Gbit/s- oder 100 Gbit/s-Signale erzeugt. Mit optischen Multiplexverfahren (Wellenlängenmultiplex) können diese Signale erneut gebündelt werden, so dass bereits Übertragungskapazitäten von mehr als 10 Tbit/s auf einem einzigen Lichtwellenleiter realisiert werden konnten.

Die theoretische Bandbreite des Koaxialkabels liegt bei 1 GHz, die des Lichtwellenleiters bei 50 THz. Das entspricht einem Faktor 50.000! Deshalb ist der Lichtwellenleiter das Übertragungsmedium der Zukunft!

Die geringen Verluste des Lichtwellenleiters ermöglichen eine optische Übertragung über mehr als 100 km. In Verbindung mit optischen Verstärkern ist es möglich, mehrere 1000 km über einen Lichtwellenleiter rein optisch zu übertragen.

Die Dämpfung des Lichtwellenleiters hängt im Gegensatz zum Kupferleiter nicht von der Bandbreite des übertragenen Signals ab. Hier zeigt der Lichtwellenleiter seine Überlegenheit vor allem im Teilnehmerbereich. Die Dämpfung des Kupferleiters steigt mit zunehmender Bandbreite an und ermöglicht nur Streckenlängen von wenigen hundert Metern.

Da der Lichtwellenleiter ein Isolator ist, ermöglicht er eine Potenzialtrennung zwischen Sender und Empfänger. Es treten keine Potenzialausgleichsströme auf. Es besteht kein Zerstörungsrisiko der angeschlossenen Geräte bei Blitzeinschlägen.

Aber auch in Systemen, die an Datenraten und Streckenlängen nur geringe Anforderungen stellen, wird der Kupferleiter zunehmend durch den Lichtwellenleiter ersetzt. Vor allem in Umgebungen mit starken Störstrahlungen (Kraftwerke, Produktionsbetriebe) kommt die Unempfindlichkeit des Lichtwellenleiters gegenüber elektrischer Störstrahlung vorteilhaft zur Geltung.

Selbst im PKW wird der Kunststoff-LWL zur Vermeidung möglicher Störbeeinflussungen verwendet (Abschnitt 6.4).

Die Tatsache, dass Lichtwellenleiter keine Signale abstrahlen, hat den Vorteil, dass LWL-Systeme prinzipiell abhörsicher sind.

Bei hinreichend kleinen Leistungen (< (15…150) mW) ist ein Einsatz in explosionsgefährdeten Räumen möglich, da nicht die Gefahr der Funkenbildung besteht.

Der Lichtwellenleiter hat ein geringes Gewicht und Volumen. Der Materialeinsatz ist minimal. Mit einem Gramm Glas kann etwa die gleiche Informationsmenge übertragen werden, wie mit zehn Kilogramm Kupfer! Unter dem Gesichtpunkt „Green-IT“ (Energie und Ressourcen sparen) ist das ein sehr wichtiger Aspekt.

Die Nachteile der LWL-Technik ergeben sich aus den erhöhten technischen Anforderungen und einer aufwändigeren Messtechnik. Die Anforderungen ergeben sich aus den geringen Abmessungen des Lichtwellenleiters. Werden zwei Lichtwellenleiter miteinander verbunden, müssen die LWL-Kerne exakt zueinander positioniert werden.

Wegen der sehr kleinen Kerndurchmesser (Multimode-LWL: Kerndurchmesser typisch 50 µm oder 62,5 µm; Singlemode-LWL: Kerndurchmesser typisch 8 µm) ist das eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an die lösbare Verbindungstechnik (Steckerkonfektionierung: Kapitel 2) bzw. an die nichtlösbare Verbindungstechnik (Spleißtechnik: Kapitel 3).

Ein weiterer Nachteil ist, dass über LWL-Verkabelung keine Stromversorgung möglich ist. Eine zusätzliche Kupferverkabelung ist erforderlich.

Das LWL-Kabel kann im Erdreich nicht geortet werden, sofern es kein Metall enthält.

Die Komponenten sind teurer, da zusätzlich elektrisch-optische bzw. optischelektrische Wandler benötigt werden.

1.1.3Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum überstreicht hinsichtlich Frequenz bzw. Wellenlänge 24 Zehnerpotenzen, beginnend vom niederfrequenten Bereich über die Rundfunkwellen, die optische Strahlung, die Röntgen- und γ-Strahlung bis zu den hochenergetischen kosmischen Strahlen.

In diesem riesigen Bereich nimmt das sichtbare Licht nur wenig Raum ein: Das ist der Wellenlängenbereich von 380 nm (violett) bis 780 nm (rot).

Daran schließt sich zu kleineren Wellenlängen hin die ultraviolette Strahlung und zu größeren Wellenlängen hin die infrarote Strahlung an.

Bild 1.2: Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen

Während die Übertragung mit Kunststoff-LWL vorzugsweise bei 570 nm bzw. 650 nm, also im sichtbaren Bereich erfolgt, liegen die Übertragungswellenlängen bei Anwendungen für die Telekommunikation bei 850 nm, 1300 nm, 1550 nm und 1625 nm/1650 nm, also im nahen Infrarotbereich und sind deshalb unsichtbar.

Einen Überblick über das Spektrum der elektromagnetischen Wellen gibt Bild 1.2. Man beachte die logarithmische Darstellung der Frequenz- bzw. Wellenlängenskala.

Die jeweiligen Übertragungswellenlängen ergeben sich aus den (bei modernen Lichtwellenleitern allerdings kaum noch bemerkbaren) Dämpfungsminima der Lichtwellenleiter und werden optische Fenster des Lichtwellenleiters genannt.

1.1.4Signalausbreitung im Lichtwellenleiter

Der Lichtwellenleiter besteht aus einem Kern mit dem Durchmesser dK und einem Mantel mit dem Durchmesser dM (Bild 1.3). Der Durchmesser des Glasmantels beträgt bei Telekommunikationsfasern 125 µm. Unmittelbar nach dem Ziehen des Lichtwellenleiters wird eine zweistufige Schutzschicht auf den Mantel aufgebracht (Durchmesser 250 µm, neuerdings auch 200 µm (Abschnitt 1.3.13.2)).

Diese so genannte Primärbeschichtung (Coating) soll das Eindringen von OH-Ionen in den Lichtwellenleiter verhindern, was zu einer Dämpfungserhöhung führen würde. Außerdem gewährleistet das Coating einen mechanischen Schutz. Die Faser lässt sich problemlos biegen. Ohne Schutzschicht ist die Faser spröde und bricht schnell.

Bild 1.3: Struktur des Lichtwellenleiters

Bild 1.4: Aufbau der LWL-Faser

Die Schutzschicht ist eine zweischichtig aufgebaute Kunststoffhülle, die die Festigkeit des Lichtwellenleiters verbessert, nach innen Mikrobiegungen verhindert und nach außen eine einfachere Handhabung ermöglicht.

Das Prinzip der Signalausbreitung im Stufenprofil-LWL beruht auf der Totalreflexion.

Fällt ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium mit der Brechzahl n₁ und einem optisch dünneren Medium mit der Brechzahl n₂, so wird dieser Strahl in Abhängigkeit von seinem Einfallswinkel gebrochen oder reflektiert (Bild 1.5).

Bild 1.5: Änderung der Strahlrichtung zwischen zwei Medien

Dabei bedeutet optisch dichteres Medium eine höhere Brechzahl und optisch dünneres Medium eine geringere Brechzahl, also n₁ > n₂. Unter dem Einfallswinkel versteht man den Winkel zwischen dem Lot auf die Grenzfläche und dem einfallenden Strahl.

Der Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel α₁ und dem Austrittswinkel α₂ wird durch das Snelliussche Brechungsgesetz beschrieben:

Da n₂ < n₁ ist, muss entsprechend Gleichung (1.1) α₂ > α₁ sein, der Strahl wird vom Lot weg gebrochen (Strahl 1 in Bild 1.5). Vergrößert man den Einfallswinkel (Strahl 2), wächst auch der Austrittswinkel. Mit α₂ = 90° ist der Grenzwinkel der Totalreflexion erreicht. Das ist der maximal mögliche Brechungswinkel. Für den Grenzwinkel der Totalreflexion folgt aus (1.1) mit sin90° = 1:

Wird dieser Winkel überschritten, geht die Brechung in eine Totalreflexion über (Strahl 3). Dann gilt das normale Reflexionsgesetz. Das Licht tritt nicht mehr aus dem Medium mit der Brechzahl n₁ aus, sondern bleibt in ihm gefangen.

Um das zu gewährleisten, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

•Ein Glas mit höherer Brechzahl muss von einem Glas mit geringerer Brechzahl umgeben sein.

•Der Strahl muss auf die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien hinreichend flach auftreffen.

Diese beiden Anforderungen wurden beim Entwurf des Lichtwellenleiters umgesetzt:

Auf das optisch dichtere Kernmaterial mit der Brechzahl n₁ wird ein optisch dünnerer Mantel mit der Brechzahl n₂ aufgebracht (Bild 1.6). So ist die Brechzahl des Kerns stets höher als die des Mantels. Die höhere Kernbrechzahl erreicht man durch Dotierung des Quarzglases (SiO₂) mit Fremdatomen (meist GeO₂).

Bild 1.6: Totalreflexion im Stufenprofil-LWL

Damit der Strahl hinreichend flach auf die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel trifft, das heißt, damit der Grenzwinkel der Totalreflexion im Lichtwellenleiter α_Grenz nicht unterschritten wird, darf der Einfallswinkel θ_Grenz (Akzeptanzwinkel) nicht überschritten werden. Durch nochmalige Anwendung des Brechungsgesetzes auf die Stirnfläche und unter Berücksichtigung der Winkelverhältnisse entsprechend Bild 1.6 gilt:

Unter Berücksichtigung von n₀ = 1 (Luft) und Gleichung (1.2) ergibt sich:

Als numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters wird der Sinus des Grenzwinkels θGrenz definiert. Sie ist ein Maß dafür, wie groß der maximale Einfallswinkel auf die Stirnfläche sein darf, damit das Licht im Lichtwellenleiter noch geführt wird.

Strahlen, die unter einem zu großen Winkel auf die LWL-Stirnfläche auftreffen, werden im Lichtwellenleiter nicht total reflektiert, sondern in den Mantel hinein gebrochen. Das Licht gelangt zum Coating (dieses hat eine größere Brechzahl als der Mantel) und wird stark gedämpft. Um das zu vermeiden, muss das Licht innerhalb des so genannten Akzeptanzkegels eingekoppelt werden (Bild 1.7).

Bild 1.7: Akzeptanzkegel beim Multimode-LWL

Erfolgt die Einkopplung mit einem Winkel, der kleiner als θ_Grenz ist, wird das Licht an der Kern-Mantel-Grenze reflektiert, durchläuft den LWL-Kern, wird an der gegenüberliegenden Kern-Mantel-Grenze reflektiert und breitet sich so zickzackförmig durch den Lichtwellenleiter aus. Mit der Definition für die relative Brechzahldifferenz

kann man die numerische Apertur auch folgendermaßen darstellen:

Die numerische Apertur ist eine entscheidende Größe bei der Einkopplung von Licht in den Lichtwellenleiter und bei Kopplung von Lichtwellenleitern miteinander. Sie wird durch die Unterschiede zwischen den Brechzahlen von Kern und Mantel beeinflusst.

Das Prinzip der Totalreflexion, wie in Bild 1.6 dargestellt, funktioniert prinzipiell auch unter Verzicht auf den Glasmantel, da ja Luft eine deutlich kleinere Brechzahl (≈ 1) als das Kernglas hat und folglich die Funktion des Glasmantels übernehmen kann.

Jede Berührung des Glases würde aber an dieser Stelle den Effekt zerstören und einen Lichtverlust verursachen. Außerdem wäre wegen des großen Brechzahlunterschiedes zwischen Kern und Luft die numerische Apertur und damit die Modendispersion sehr groß (vergleiche Abschnitt 1.3.1.2).

1.1.5Dämpfung im Lichtwellenleiter

1.1.5.1Definition der Dämpfung

Die in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Leistung P₀ fällt entlang des Lichtwellenleiters exponentiell ab:

Dabei ist a’ die Dämpfung als dimensionslose Größe (in Neper), P₀ die eingekoppelte Leistung (P₀ = P(L = 0)) und L die durchlaufene Länge des Lichtwellenleiters. Die Dämpfung ergibt sich aus einem Leistungsverhältnis. Gebräuchlich ist die Definition in Dezibel (dB):

Diese Darstellung unterscheidet sich von Gleichung (1.8). Gleichung (1.8) bezieht sich auf die Basis des natürlichen Logarithmus (e ≈ 2,7183…) und Gleichung (1.9) auf die Basis des dekadischen Logarithmus. Man beachte, ob die Dämpfung in Dezibel oder Neper angegeben wird, wobei heute Neper kaum noch gebräuchlich ist. Durch Vergleich zwischen (1.8) und (1.9) ergibt sich folgender Zusammenhang:

Der Dämpfungskoeffizient oder Dämpfungsbelag α ist die auf die LWL-Länge bezogene Dämpfung und damit ein wichtiger Materialparameter. Ist dieser entlang des LWL konstant, so gilt:

Tabelle 1.1: Beispiele für Dämpfungskoeffizienten

Die Maßeinheit ist analog zu oben dB/km oder 1/km, je nachdem, ob a oder a’ im Zähler steht. Die Umrechnung zwischen diesen beiden Angaben ist zu beachten! In Tabelle 1.1 wurden typische Dämpfungskoeffizienten verschiedener Materialien zusammengestellt.

Während der Dämpfungskoeffizient von Fensterglas bei 25.000 dB/km liegt (Abfall auf die Hälfte nach 12 cm), beträgt der beste Dämpfungskoeffizient des Lichtwellenleiters 0,151 dB/km (Abfall auf die Hälfte nach 19,9 km). Dieser Wert ist mehr als fünf Größenordnungen geringer! Hieraus wird ersichtlich, welch große technologische Herausforderung es ist, ein derart reines Glas zu fertigen.

Aus der Definition entsprechend Gleichung (1.9) ergeben sich folgende Zusammenhänge zwischen linearer und logarithmischer Darstellung:

Aus den Beispielen ist zu erkennen, dass sich das Signal alle 10 dB um einen Faktor 10 verringert. Dämpfungen werden meist als positive dB-Werte und Verstärkungen als negative dB-Werte definiert.

Neben den angegebenen Werten lassen sich auch Zwischenwerte ableiten. Dabei hilft folgender Zusammenhang: 10·lg2 = 3,0103. Das heißt, ein Signalabfall auf die Hälfte (P₀/P(L) = 2) entspricht etwa 3 dB. Eine nochmalige Halbierung entspricht 6 dB und so weiter:

Beträgt die Dämpfung 10 dB (also Abfall auf ein Zehntel) und man verdoppelt den Wert (also Abfall auf ein Fünftel), so sind 3 dB zu subtrahieren:

Durch diese einfachen Überlegungen lassen sich plausible Näherungen für jeden einzelnen dB-Wert ableiten.

Eine logarithmische Darstellung der Leistung ist sinnvoll, da diese viele Zehnerpotenzen überstreichen kann. Dabei wird die Leistung auf 1 mW bezogen. Das Ergebnis ist der Leistungspegel L oder einfach der Pegel. Dieser hat die Maßeinheit dBm:

Entsprechend dieser Definition gelten die folgenden Zusammenhänge zwischen Pegel und Leistung:

Gemäß der Definition nach Gleichung (1.12) haben Pegel kleiner als 1 mW negative und Pegel größer als 1 mW positive dBm-Werte. So wird es möglich, Leistungsverhältnisse als Differenzen darzustellen (ergibt sich aus den Logarithmusgesetzen) und auf einfache Weise die Dämpfung zu berechnen:

Beispiel: Ein Sender hat eine Ausgangsleistung von P₀ = 0,5 mW (L₀ = -3 dBm), der Empfänger misst eine Leistung von P₁ = 0,188 mW (L₁ = -7,268 dBm). Zur Berechnung der Dämpfung aus den Leistungen in Milliwatt benötigt man Gleichung (1.9) und damit (wegen der Logarithmierung) einen Taschenrechner:

a = 10lg(0,5 mW/0,188 mW) = 4,268 dB.

Werden die Dämpfungen aus den Pegeln berechnet, reicht eine einfache Subtraktion entsprechend Gleichung (1.13) aus:

a = -3 dBm - (-7,268 dBm) = 4,268 dB.

In einem weiteren Schritt zur Vereinfachung kann bei vielen Messgeräten der Pegel bei der Referenzierung auf null gesetzt werden und das Ergebnis der Messung sind dann relative dB (bezogen auf die Referenzierung). Es wird direkt die Dämpfung der Strecke angezeigt.

Am Leistungsmesser kann eingestellt werden, ob die Anzeige in Milliwatt (Leistung), dBm (Pegel) oder relativen dB erfolgen soll.

Zusammenfassung und Beispiele:

•Angabe Leistung P in mW (absoluter Wert)

•Angabe Pegel L in dBm (relativer Wert; bezogen auf 1 mW)

•Leistung > 1 mW: Pegel ist positiv; Beispiel: 2 mW entspricht ≈ 3 dBm

•Leistung < 1 mW: Pegel ist negativ; Beispiel: 0,5 mW entspricht ≈ -3 dBm

•3 dB entspricht 0,5 (50 %)

•-3 dB entspricht 2 (200 %)

•13 dB = 10 dB + 3 dB ≈ 0,1 · 0,5 = 0,05

Beachte:

10 dBm + 3 dBm ≠ 13 dBm = 20 mW, sondern

Vorsicht bei der Umrechnung zwischen Pegeln und Leistungen!

1.1.5.2Dämpfungseffekte im Lichtwellenleiter

Die LWL-Dämpfung begrenzt die Leistungsfähigkeit optischer Nachrichtenübertragungssysteme. Deshalb ist das Verständnis der Ursachen für die Dämpfung wichtig, um leistungsfähige Systeme zu entwickeln. Die Dämpfung wird durch Absorption, Streuung und Strahlungsverluste infolge Modenwandlung verursacht.

Verunreinigungen durch Ionen der Metalle Cu, Fe, Ni, V, Cr, Mn können Absorptionen bei bestimmten Wellenlängen bewirken. Mit den heutigen technischen Möglichkeiten kann man hochreines Glas realisieren, so dass die Absorptionsverluste keine Rolle mehr spielen.

Problematischer sind die Verunreinigungen durch Hydroxyl-Ionen, das heißt durch Wasser und dessen OH-Radikal. Dadurch steigt die Absorption vor allem bei folgenden Wellenlängen stark an: 0,945 µm, 1,24 µm und 1,383 µm.

Da die so genannten Wasserpeak