LICHTWELLENLEITER. ITWissen.info

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2 Inhalt Impressum: Herausgeber: Klaus Lipinski Copyrigt 2005 DATACOM-Buchverlag GmbH Dietersburg Alle Rechte vorbehalten Absorption Abstrahlfläche Abstreifkabel Akzeptanzwinkel Apertur Aramidgarn Bandbreitenlängenprodukt Beschichtung Beugung Biegebelastung Biegeradius Blindader Brechung Brechzahl Bündelader Cleaver Crimp-Spleiß Chromatische Dispersion Dämpfungsbudget DCF-Faser Dispersion Dispersionskompensation DSF-Faser Einblasen Einfügungsdämpfung Einkopplungswinkel Farbcode Fehlinkel Fresnelverluste Fusions-Spleiß Gammafaktor Gradientenindex Gradientenindex- Profilfaser Grenzstrahl Grenzwellenlänge Grenzwinkel Gruppengeschwindigkeit HCS-Plastikfaser Hohlader Kernglas Klebespleiß 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 Sekundär- Beschichtung SMF, single mode fiber Spleiß Streuung Stützelement Stufenindex- Profilfaser Vollader Wellenleiterdispersion Zugelement Zugentlastung Zugfestigkeit 2

3 Absorption absorption Abstrahlfläche emitting area Abstreifkabel wiper cable Akzeptanzwinkel acceptance angle 3 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. 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. 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. 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

4 Akzeptanzwinkel bei Lichtwellenleitern Apertur aperture Aramidgarn aramid fiber 4 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

5 Aramidgarn Bandbreitenlängenprodukt bandwidth length product Beschichtung coating 5 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-Aramid- Fasern umgarnt. 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 nm Wellenlänge. Im Rahmen der Ethernet-Techniken wie Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-

6 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 Primär- Coating 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. 6

7 Biegebelastung bend load Biegeradius bending radius Blindader blind fiber 7 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 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.

8 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 Brechzahl refraction index Bündelader multifiber loose buffer 8 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). 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 km/s ausbreitet. 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

9 Aufbau der Bündelader Cleaver cleaver Crimp-Spleiß crimp splice 9 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. 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. 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.

10 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 10 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

11 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 Dispersion dispersion Dispersionsarten 11 Die Dispersion Compensating Fiber (DCF) wird zur Dispersionskompensation von konventionellen Glasfasern eingesetzt. Werden konventionelle Fasern im nm- Bereich 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. 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

12 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 12 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 nm verschoben wurde. Die verbleibende Dispersion liegt bei der DSF- Faser annähernd bei 0, also weit unterhalb von den 15 ps/nm/km einer

13 Dispersionsverlauf einer DSF-Faser Einblasen blow in fiber Einfügungsdämpfung IL, insertion loss 13 konventionellen Faser. Dank der verbesserten Dispersion wird die Impulsverbreiterung in diesem für den Einsatz von EDFA- Verstärkern geeigneten Fenster reduziert. Die Streckenlänge und die Übertragungsfrequenz können dadurch erhöht werden. 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 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. 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 LwL- Steckverbindungen 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

14 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 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. 14

15 Fehlwinkel fault angle Fresnelverluste Fresnel loss Fusions-Spleiß fusion splice Zufälliger oder absichtlicher Schrägschliff einer Glasfaser. Der absichtliche Schrägschliff soll Reflexionen bei Steckverbindungen aus der Faser entfernen. 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. 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 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. 15

16 Gammafaktor gamma factor Gradientenindex GI, gradient index Gradientenindex- Profilfaser GIF, gradient index fiber 16 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 Gradientenindex- Profilfaser (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

17 Aufbau und Brechungsprofil der Gradientenfaser Grenzstrahl boundary ray 17 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 Gradientenindex- Profilfasern in drei OM-Klassen: OM1, OM2 und OM3. In DIN / 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. 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

18 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 18 Die Grenzwellenlänge ist von produktionstechnischen Faktoren, der Modendispersion und der numerischen Apertur (NA) abhängig und liegt bei 10-µm- Monomodefasern bei nm. Deshalb können Monomode-Fasern nur mit Wellenlängen oberhalb von 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 HCS- Faser 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

19 Aufbau der Hohlader 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

20 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 Klebespleiß adhesion splice Klebespleiß 20 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. 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.

21 Kompaktader loose tube fiber Aufbau der Kompaktader Krümmungsradius radius of curvature Leckwellen leaky modes Lichtabsorption light absorption 21 Bei der Kompaktader ist das Sekundär- Coating 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 Maximaler Biegeradius, mit dem ein Lichtwellenleiter beansprucht werden darf, ohne beschädigt zu werden. 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. 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 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.

22 LwL Lichtwellenleiter FO, fiber optics Aufbau von Lichtwellenleitern 22 Der Begriff LwL ist in DIN 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

23 LwL mit verschiedenen Moden 23 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

24 Lichtwellenleiter mit Aramidgarn und Kabelaußenmantel LwL-Adern fibers 24 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 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.

25 LwL-Außenkabel outdoor fibers 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. LwL- Außenkabel sind relativ großzügig dimensioniert, damit der Innenraum bei auftretenden Temperaturschwankungen die Faserüberlänge aufnehmen kann.

26 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. LwL-Innenkabel indoor fibers LwL-Kabel fiber optic cable 26 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 Kabelmantel- Werkstoff 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 sind Lichtwellenleiter, die in einem gemeinsamen Mantel untergebracht sind und durch diesen geschützt werden. Das Übertragungsverhalten eines LwL- Kabels 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.

27 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 Mie-Streuung mie scattering Moden 27 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. 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. Unter Moden versteht man diskrete Lichtwellenformen, die sich im Kernglas eines

28 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 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 Gradientenindex-

29 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 nm. Aufbau und Brechungsprofil der Stufenindex-Profilfaser Im Rahmen der neuen Ethernet-Techniken wie Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit- Ethernet wurden neue, wesentlich reinere Gradientenindex-Fasern entwickelt, so genannte New Fiber, die bei 850 nm Bandbreitenlängenprodukte von bis zu 10 GHz x km aufweisen. 29

30 NDSF-Faser NDSF, non dispersion shifted fiber New Fiber new fiber Numerische Apertur NA, numerical aperture NZDSF-Faser NZDSF, non zero 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 Gradientenindex- Profilfasern 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 nm, wie im Falle der DSF-Faser, zu