1 Geschichte der Datenübertragung

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1 3 1 Geschichte der Datenübertragung An dieser Stelle möchte ich einsteigen in das Thema "Datenübertragung" am Beispiel der Erfindung des Telefons. Ich wähle den Einstieg deshalb, weil es das Einzige, der Datenübertragung dienende Element ist, das in der heutigen Zeit immer noch genutzt wird, und ihm daher, meiner Meinung nach, eine besondere Rolle zu Teil wird, ganz einfach deswegen, weil die Technik in der heutigen Zeit enorm schnell voranschreitet. Vor allem in der Entwicklung der Datenübertragung ist das Überleben einer so alten Technik sehr erstaunlich und beweist daher, wie gut die Idee des Telefons schon damals umgesetzt wurde. Das Telefon, so wie wir es heute kennen, hat bereits einen weiten Entwicklungsweg durchlaufen, um auf den heutigen Stand der Technik zu kommen. Dennoch ist das Prinzip, Sprache in Form von Spannungsschwankungen auf einer elektrischen Leitung, zu übertragen, im Großen und Ganzen gleichgeblieben. Durch ein Mikrofon werden Schallwellen, aus der Luft, umgewandelt in elektrische Impulse. Um 1860 herum, als das erste Telefon von Philipp Reis erfunden wurde, nutzte man als Mikrofon eine Folie, die über Kohlekörnern befestigt war. Das Prinzip, dass sich dahinter verbirgt, ist die Begebenheit, dass Kohle, wenn sie komprimiert wird, leitfähiger ist als unkomprimiert. Spricht man nun in das Mikrofon hinein, bewirkt die Bewegung der Folie die Kompression der Kohlekörner und der elektrische Strom kann leichter durch sie hindurchfließen. Die Entwicklung jedoch brachte schon bald unter dem Namen Alexander Graham Bell ein weit aus einfacheres Verfahren hervor. Durch einen Magneten, der an einer Membran befestigt ist, die in Schwingung gerät, sobald man in das Mirkofon hineinspricht und die vor einer Spule hängt, wird durch Induktion ein weit aus stärkeres und störungsfreieres elektrisches Signal erzeugt als durch die Kohlekörner Methode. Dieses Signal kann, natürlich verstärkt, über einen Lautsprecher direkt wiedergegeben werden. Quellen: (1), (2)

2 4 2 MHz/Mbit: Was ist was? MHz und Mbit sind völlig verschiedene Einheiten, die jedoch zusammen oft in Verbindung mit PCs und somit auch mit Datenübertragung genannt werden. Damit es zu keinen Verwechslungen kommen möge, erst einmal eine Definition: MHz: Hz (Hertz) ist die Einheit, der Frequenz einer Schwingung, d.h. die Anzahl des Eintretens eines Ereignisses pro Sekunde. Das M vor Hz steht für Mega also den Faktor Million (10^6). 1 MHz ist demnach eine Million Wechsel pro Sekunde. Mbit: Mbit beschreibt eine Datenmenge. Diese Datenmenge ergibt sich aus dem einzelnen Bit (1/0) und wieder dem Faktor Mega, also Million. Demnach ist 1 Mbit eine Million Bits. Mbit/s beschreibt eine Daten- bzw. Übertragungsrate, nämlich wie viele Millionen Bits in einer Sekunde übertragen werden. Quellen: (3) 3 Vergleich der optischen und auf Kupferdraht basierenden Datenübertragung Lichtleiter haben gegenüber Kupferkabeln einige interessante Vorteile: Es lassen sich sehr hohe Übertragungsraten, bis zu mehreren TBits/s erreichen Eine Überwindung großer Entfernungen ohne Repeater (also Verbindungsstellen, bei denen das Signal verstärkt, bzw. einfach gelesen und neu geschickt wird) wird möglich. (Glasfaser: bis zu 100km, Koaxialkabel nur ca. 1,5km) Lichtleiter haben geringes Volumen und Gewicht, außerdem sind die Kunststofffasern oft dünner als ein Haar. Die Übertragung kann nicht durch elektromagnetische Felder gestört werden, außerdem ist sie unempfindlich gegen Störspannungen, z.b. bei einem Gewitter. Der Lichtleiter ist ein relativ sicheres Übertragungsmedium, da er keine Signale oder elektromagnetische Felder erzeugt, und ein Abhörversuch anhand eines Leistungsverlustes leicht zu bemerken wäre. Man kann keine "falschen" Verbindungen erzeugen, also Kurzschlüsse o.ä. welche angeschlossene Geräte zerstören würden. Durch Anwendung bestimmter Verfahren kann die Übertragungsrate bzw. die Kapazität eines Lichtleiters ohne physikalischen Eingriff erhöht werden. Der Grundstoff von Glasfasern ist weit aus günstiger als Kupfer.

3 5 Nachteile des Datenübertragungsmediums Glasfaser: Es ist keine Energieübertragung per Glasfaser möglich, also muss jedes Gerät zur Verstärkung des Lichtsignals auf eine eigene Stromversorgung gestützt sein. Beim Arbeiten an aktiven Lichtleitungen ist eine Verletzungsgefahr der Retina sehr wahrscheinlich, würde man in das eingespeiste Licht blicken Die Temperatur spielt bei Lichtleitern eine ernorme Rolle. Veränderungen der Temperatur haben Veränderungen der Brechungszahl zwischen Mantel und Kern in den Leitern zur Folge, wodurch eine Datenübertragung ohne Fehler über große Strecken unmöglich wird. Hinzu kommt das Lichtstrahlen, aufgrund der Veränderung der Brechung den Lichtleiter verlassen, weil sie nicht mehr total reflektiert werden. Die Intensität des Signals nimmt ab. Das Aufspielen bzw. Abnehmen der Signale auf und von Lichtleitern ist relativ aufwendig und teuer. Anhand des beigelegten Frequenzbandes kann man sehen in welchen Frequenzen die beiden Techniken arbeiten. Die Bandbreite errechnet sich hierbei aus der Differenz der unteren von der oberen Frequenzgrenze. Die Bandbreite gibt an, wie viele Informationen über den Leiter übertragen werden können. Je größer die Differenz der unteren von der oberen Frequenzgrenze ist, desto größer ist die Bandbreite und somit die Masse an Informationen, die übertragen werden können. Jeder Leiter kann nur in bestimmten Frequenzbereichen übertragen, die Bandbreite ist also materialabhängig: Kupferleitung: ~4KHz-1,5MHz Hz-4000Hz= Hz Es stehen also ca Frequenzen zur Verfügung um durch Frequenzmodulation (also Veränderung der Frequenz) ein Rechtecksignal zu erzeugen.

4 6 Glasfaser: ~18*10^16Hz-15*10^11Hz=1,8*10^17Hz Es stehen also ca. 1,8*10^17 Frequenzen zur Verfügung, die zur Datenübertragung genutzt werden können. Das sind im Vergleich zur Kupferleitung 1,2*10^11 mal so viele. Man kann also sagen, dass es möglich ist weit aus mehr Informationen in einem optischen Leiter zu verschicken, als in einer Kupferleitung. (Bildanhang: Frequenzband) Quellen: (4), (5), (6) 4 Kupferdraht basierende Datenübertragung Wenn man sagt, über einen Draht (Kupferdraht, 2Stück, gewickelt o.ä.) werden Daten übertragen, meint man in Wirklichkeit, dass an dem Draht eine Spannung angeschlossen ist, die in ihrer Höhe so beeinflusst werden kann, dass daraus die Gegenstelle ein Muster erkennt, welches weiter bearbeitet werden kann. Überträgt man, wie für das Telefon, analog, so ist eine Gleichspannung (60V) an dem Draht angeschlossen. Spricht man nun in das Mikrofon hinein, so wird diese Spannung von 60V durch Verdichtung von leitenden Kohlekörnern, mithilfe einer Membran, oder durch Veränderung des Plattenabstandes in einem Kondensator, gemäß der Formel: C=Q/U=ε0*(A/d) U=Q*d/(ε0*A) erhöht oder erniedrigt, je nach Abstand (d) der Platten. Diese Veränderungen der Spannung bewirken in der Spule, die sich innerhalb des Lautsprechers auf der Gegenseite befindet, eine Veränderung des Magnetfeldes gemäß der Proportionalität: U~dB/dt (die Spannung U ist proportional zur zeitlichen Änderung des Magnetfeldes (Induktion). Daraus folgt aber auch, dass eine zeitliche Änderung der Spannung, in einer Spule, eine Änderung des Magnetfeldes B erzeugt), wodurch eine Membran in Schwingung versetzt wird, die nun genau in den Frequenzen schwingt, die der Gesprächspartner in das Mikrofon gesprochen hat. ISDN Telefone bedienen sich der digitalen Technik. Hierfür muss eine Wechselspannung an den Draht angeschlossen sein. Diese wird nun durch Frequenzänderung so angepasst, dass sie das Rechtecksignal, das aus dem analogen Signal des Mikrofons gebildet wurde, überträgt. Es wird klar, dass für die digitale Übertragung enorm viele Frequenzen gebraucht werden, da aus der sinusförmigen Wechselspannung durch Frequenzänderung das Rechtecksignal gebildet werden muss. Diesen Bereich an

5 7 Frequenzen den eine solche Leitung übertragen kann, nennt man Bandbreite. Sie ist material- und längenabhängig. Sprache wird in Frequenzen von Hz übertragen, darüber und darunter liegende Frequenzen werden herausgefiltert, um die Bandbreite für andere Übertragungen nicht unnötig einzuschränken, da die Sprache auch wenn gewisse Frequenzbereiche fehlen, noch verstanden werden kann. In Kupferleitungen selbst sind jedoch Frequenzen von bis zu 1,5MHz ( Hz) möglich, sodass gewährleistet ist, dass man gleichzeitig telefonieren und mit DSL, was die Frequenzen von 4KHz bis 1,5MHz nutzt, ins Internet gehen kann. Quellen: (7), (8), (11) 4.1 Bandbreiteneinschränkung durch die Länge des Leiters Die Datenübertragung wird durch verschiedenste Faktoren beeinflusst, meistens zum negativen, also zum Bandbreitenverlust, hohe Fehlerrate, etc. Dies geschieht zum einen durch Phänomene, die durch die hohe Frequenz im Leiter erzeugt werden, aber auch durch allgemein geltende physikalische Zusammenhänge. Zu diesen gehört der Ohm'sche Widerstand, der sich je nach Länge, Material und der Querschnittsfläche des Leiters ergibt. Rohm=(ρ*L)/A (gilt bei 20 C, da der Ohm'sche Widerstand in Normalleitern bei steigender Temperatur ebenfalls steigt). Man kann erkennen, dass je länger der Leiter ist, der Widerstand zunimmt. Ebenso ist die materialabhängige Konstante ρ (rho) wichtig. Dem entgegen wirkt der Querschnitt, der je größer er ist, den Ohm'schen Widerstand schrumpfen lässt. Aus diesem Grund wird Kupfer verwendet, da ρ relativ klein ist :1,7*10^-8µm. Noch etwas besser ist Silber mit 1,6*10^-8µm, aber das ist wohl etwas zu teuer. Weitere Faktoren, die die Datenübertragung in einem Kupferdraht stören, sind der bei Wechselspannung auftretende induktive Widerstand X, und der sich bei hoher Frequenz einstellende Skin-Effekt. Quellen: (7), (8)

6 Der induktive Widerstand X Diesen Aspekt möchte ich gerne von der Energie her betrachten. Was macht letztendlich der Ohm'sche Widerstand? Was ist der Unterschied zum induktiven Widerstand? Zunächst einmal entsteht der Ohm'sche Widerstand dadurch, dass Elektronen, die durch einen Draht bei Gleichstrom fließen, mit den Atomen des Drahtes zusammenstoßen, und so in ihrer Bewegung behindert werden. Dies erzeugt Wärmeenergie, kurz gesagt die Energie, die man zur Datenübertragung durch den Draht schickt, wird zum Teil in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umgebung abgestrahlt. Nun, dasselbe passiert in abgewandelter Form auch durch den induktiven Widerstand. Fließt durch einen Draht eine Wechselspannung, erzeugt sie ein sich ständig änderndes Magnetfeld, kreisförmig um den Leiter. Dieses Magnetfeld baut sich auf und ab, im Rhythmus der Wechselspannung. Nach Maxwell erzeugt dies wiederum eine weitere induzierte Spannung um die Magnetfeldlinien des kreisförmigen Magnetfelds herum, die wieder ein neues Magnetfeld induziert. Dieses Prinzip nutzt man beim kabellosen Übertragen von Daten, z.b. beim Radio- oder Amateurfunk. Damit geht aber ein Problem einher, dass dem der Wärmeabstrahlung durch den Ohm'schen Widerstand sehr ähnlich ist. Diese Abstrahlung von Magnetfeldern bringt einen Verlust der Energie mit sich, die zur Datenübertragung gebraucht wird -> das Signal wird immer schwächer, je länger die Strecke ist, die es überwinden muss. Aus diesem Grund müssen nun Leitungen eingeführt werden, die genau diese Abstrahlung verhindern. Recht einfach kann man das Problem lösen, indem man zwei miteinander verdrillte Kupferdrähte verwendet. Durch beide Drähte lässt man Wechselstrom fließen, jedoch moduliert man nun die Phase des einen Wechselstroms genau entgegengesetzt der des anderen, sodass sich zwei Magnetfelder um die Leiter herum bilden, die jedoch genau entgegengerichtet sind. Sie gleichen sich also nahezu perfekt aus. Mit diesem Prinzip werden beinahe alle Datenübertragungen von den DSL Anschlüssen im Haus zu den nächsten Verteilerboxen getätigt. Die Einschränkung die bleibt ist der Ohm'sche Widerstand, der bei Wechselstrom genauso wirkt, wie bei Gleichstrom. Dieses Verfahren eignet sich über einen enorm großen Frequenzbereich, bis hin zu dem Punkt, wo der Skin- Effekt eintritt und eine neue Kabel-Form fordert, das Koaxial-Kabel. (Bildanhang: Abbildung 1) Quellen: (7), (8)

7 Der Skin-Effekt Der Skin-Effekt (dt. Haut-Effekt) tritt bei hohen Frequenzen auf und beschreibt das Phänomen, das der Strom nicht mehr durch den ganzen Querschnitt eines zylindrischen Leiters fließt, sondern nur noch auf der Oberfläche. Wie kommt es aber dazu? Im Großen und Ganzen kann man das Phänomen auf die Selbstinduktion zurückführen. Wie schon beim induktiven Widerstand erklärt, entstehen durch Wechselspannung in ausreichender Frequenz kreisförmige Magnetfelder (auch Wirbelfelder genannt) um den Leiter. Der Skin-Effekt ist nur eine Weiterführung dessen. Betrachtet man einfach ein Flächenelement in dem Leiter (dr*ds in der Skizze), so wird dieses von den kreisförmigen Magnetfeldern, die durch die Wechselspannung induziert werden, durchdrungen. Da sich die kreisförmigen Magnetfelder aufgrund der Wechselspannung ständig ändern, wird hier ein elektrisches Wirbelfeld um das Flächenelement erzeugt, dessen Richtung, auf der Seite wo sich der Leiterkern befindet, entgegengesetzt ist zu der Richtung des angelegten elektrischen Feldes. Dies bedeutet gleichzeitig jedoch, da es sich um ein Wirbelfeld handelt, dass sich die induzierte elektrische Feldstärke, zur Oberfläche des Leiters hin, mit der angelegten elektrischen Feldstärke addiert. Das resultierende Gesamtfeld im Leiter nimmt also vom Kern her bis zu Oberfläche hin ständig zu. So wird bei entsprechend hohen Frequenzen beinahe der gesamte Strom an die Oberfläche des Leiters verdrängt. In einer Tiefe d=sqr(ρ/πµ0µω) (ρ, µ spezifischer Widerstand und Permeabilität des Drahtes, ω ist die Kreisfrequenz), ist er bereits auf 1/e abgefallen. Als Folge erkennt man sofort, dass der Ohm'sche Widerstand, der ja abhängig von der Querschnittsfläche des Leiters war, enorm groß wird, da nun der Umfang des Leiters durch die Querschnittsfläche, als wichtige Größe, ersetzt wird. Daher werden für enorm hohe Frequenzen keine Drähte mehr benutzt, sondern Hohlleiter. In unserem Fall steigt man nun, da man zwei verdrillte Drähte nicht beliebig dick machen kann, auf Koaxial-Kabel um. Koaxial-Kabel bestehen aus einem relativ dicken Innenleiter, der an der Oberfläche versilbert ist, einer Isolationsschicht (diese dient wie beim Kondensator auch als Dielektrikum) und einem Drahtgeflecht an der Außenseite, das primär zu Abschirmung der Abstrahlung dient. Wieder werden die beiden Leiter mit genau phasenverschobenem Wechselstrom durchflossen wodurch sich die Magnetfelder ausgleichen und somit die Abstrahlung beinahe Null wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Kabel

8 10 unempfindlich gegen äußere Störfelder wird, da diese ebenfalls durch das äußere Drahtgeflecht abgehalten werden. Der entscheidende Faktor liegt aber jetzt darin, dass bei diesem Kabel der Ohm'sche Widerstand im Vergleich zu zwei miteinander verdrillten Drähten stark reduziert wird, einmal durch den hohen Umfang des Drahtes, aber auch durch die Versilberung der Oberfläche. Beim Koaxial-Kabel tritt jedoch ein neuer, recht hinderlicher Effekt auf. Am offenen Ende einer Koaxialverbinung z.b. zwischen 2 Computern, entsteht die sogenannte Signalreflektion. Die Signale werden durch den Draht übertragen, werden jedoch am offenen Drahtende einfach zurückgeworfen. Das hat zur Folge, dass neue Daten, die verschickt werden, durch die reflektierten Signale überlagert werden. Es ist nicht mehr möglich die reflektierten, alten Daten von den neuen Daten zu unterscheiden -> es treten Fehler auf. Die Lösung des Problems liegt darin einfach einen Widerstand an das Ende einer Leitung zu schließen und so die Reflektion zu verhindern. Der Widerstand muss entsprechend dem Wellenwiderstand (man misst die Impendanz der beiden Adern des Koaxialdrahtes kurzgeschlossen und offen bei größer werdender Länge. Dabei wird die Kurzschlussimpendanz (Z#) immer größer, die offene Impendanz (Z0), auch Leerlaufimpendanz genannt, immer kleiner. Der Grenzwert von beiden der sich aus ZW=SQR(Z0-Zk) errechnet, wird der Wellenwiderstand genannt.) der Leitung sein damit das Signal vollständig am Ende der Leitung geschluckt wird. Dieser beträgt bei den Standart Koaxial- oder BNC- Leitungen ca Ω. Ein anderer Weg, diesem Phänomen entgegen zu wirken liegt darin, dass man eine Litze als Draht benutzt, also einen Draht der selbst aus vielen dünnen Drähten besteht, die natürlich alle isoliert sein müssen. In jedem dieser kleinen Drähte entsteht nun der Skin-Effekt, jedoch ist er nicht mehr so gravierend wie bei einem dicken Draht. Einfacher gesagt man versucht die Oberfläche zu vergrößern, ohne den Leiter dicker zu machen und da empfiehlt es sich mehrere Oberflächen in einem Draht zu haben. Ein anderer Weg, der unter anderem beim Radar verwendet wird, ist ein rechteckiger Hohlleiter. Über diesen können nun sogar Frequenzen von 10^9Hz bis 15^11Hz übertragen werden. (Bildanhang: Abbildung 2, 3, 4, 5) Quellen: (8), (9), (13)

9 11 5 Funktionsweise des Lichtleiters Die Technik des Lichtleiters basiert auf der geschickten Ausnutzung von Totalreflexion und Interferenz. Trifft ein Lichtstrahl unter dem Winkel φ1 auf die Grenzschicht zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechzahl n1 und n1, so wird er beim Eintritt in das Medium mit niedrigerer Brechzahl gebrochen. Nach dem Brechungsgesetz berechnet sich der Winkel φ2 des gebrochenen Strahls nach sin φ1/sin φ2=n2/n1. Bei Einfallswinkeln über dem kritischen Winkel φc, bei dem φ2=90 ist, sich also nach sin φc=n2/n1 berechnet, tritt Totalreflexion ein und es gilt: φ1=φ2. Als Material für den Lichtleiter verwendet man Glasfaser, was, wie der Name schon sagt, Grundmaterialien von Glas enthält. Lichtleiter arbeiten in den Frequenzen des Lichtes, also bei 10^12Hz (TeraHz, THz) im Infrarotbereich bis hin zu ca. 10^16Hz (10^15=PetaHz). Der Bereich des sichtbaren Lichtes erstreckt sich gerade mal von 385THz bis 790THz, man erkennt also welche Bandbreite von den Frequenzen her bei optischen Leitern theoretisch vorhanden wäre. Jedoch stellen sich andere Probleme ein, nämlich die, dass es kaum möglich ist dieses Licht, vor allem im UV Bereich bei Frequenzen von ca. 10^15Hz bis 10^17Hz, zu erzeugen, da Licht, also elektromagnetische Strahlung, je nach Höhe der Frequenz sehr viel Energie benötigt, um erzeugt zu werden. Die echte Datenübertragung kann, wie auch beim Kupferkabel, digital oder analog durchgeführt werden. (Bildanhang: Abbildung 6, 7, 8) Quellen: (8), (10) Analoge Datenübertragung im Lichtleiter Bei der analogen Informationsübertragung setzt man verschiedene Signalpegel in verschiedene Helligkeitsgrade um, die dann durch den Lichtleiter übertragen werden können. Bei der direkten Signalumwandlung werden die Spannungsschwankungen, die durch ein Mikrofon auf die Grundspannung aufgesetzt werden, direkt als Helligkeitsschwankungen durch den Lichtleiter übertragen. Der Vorteil einer analogen Übertragung liegt auf der Hand: eine Schaltung ist wesentlich einfacher zu realisieren, es muss ja nur das Signal als Betriebsspannung einer LED angelegt werden. Ein Nachteil der analogen Informationsübertragung liegt in Nichtlinearitäten von Sender, Lichtleiter und Empfänger: die Lichtintensität steigt besonders beim Laser

10 12 nicht proportional zur Eingangsleistung, sondern unregelmäßig an, was die Signale verfälschen kann. Mehr und mehr setzt sich daher die digitale Übertragung von Informationen über Lichtleiter durch. Quellen: (4), (5), (8) Digitale Datenübertragung im Lichtleiter Bei der digitalen Informationsübertragung werden nur zwei verschiedene Zustände als Nutzsignal übertragen: logisch 1 und logisch 0. Da der Empfänger nur noch zwischen diesen beiden Signalpegeln unterscheiden muss, lässt sich digitale Informationsübertragung wesentlich fehlerfreier gestalten, da man Fehlerkorrektur anhand von Checksummen realisieren kann. Eine Digitalisierung geht relativ einfach vonstatten: Zunächst ordnet man jedem Signalpegel einen festen Zahlenwert zu. Zur Übertragung eines Signals wird jetzt der analoge Signalpegel in festen Abständen gemessen und das binäre Äquivalent des ihm zugeordneten Zahlenwerts bitweise übertragen bzw. aufmoduliert. Alternativ zu einer linearen Zuordnung von Zahlenwerten zu Signalpegeln kann man auch z.b. lauteren Tönen weniger Zahlenwerte zuordnen, um damit mehr verschiedene Amplituden im leisen Bereich codieren zu können. Höhere Übertragungsgeschwindigkeiten lassen sich durch Kompression der binären Daten erreichen. (Bildanhang: Abbildung 9) Quellen: (3), (5), (8) 5.2 Bandbreiten Einschränkung durch Länge und Material Auch bei Lichtleitern gibt es Einschränkungen der Bandbreite, die material- und längenabhängig sind. Durch diese kann es zu hohen Fehlerraten in den zu übertragenden Daten kommen oder zum kompletten Verlust derselben. Analog zum Ohm'schen Widerstand des Kupferdrahtes ist beim Lichtleiter der Verlust der Energie durch teilweises Austreten der Lichtstrahlen das Standartproblem, dass sich bei großen Entfernungen einstellt. Dies wird allgemein die Dämpfung eines Lichtleiters genannt, für die es zwei Gründe gibt. Quellen: (4), (5), (6)

11 Dämpfung: verlegungsbedingt Neben offensichtlichen Faktoren, wie in die Übertragungsstrecke eingebaute Stecker und Spleiße (eine dauerhafte Verbindung 2er Glasfaserkabel durch Fusionsspleiße oder mechanische Spleiße), spielt auch ein anderer Faktor eine für die Dämpfung ausschlaggebende Rolle: werden Lichtleiter geknickt, so steigt die Dämpfung mit sinkendem Biegeradius stark an. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich an einem Knick der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen den Materialien verschiedener optischer Dichte trifft, verändert. Es tritt jetzt eventuell nicht mehr Totalreflexion auf, wodurch Energie verloren geht, das Signal also geschwächt wird. Quellen: (4), (5), (6) Dämpfung: materialbedingt Die materialbedingte Dämpfung ist vor allem von den Wellenlängen der Lichtstrahlen abhängig. So kann man im Bild erkennen: den Dämpfungsanstieg durch Absorption jenseits von etwa 1600nm, die vorwiegend durch Reste an OH- Ionen bedingten Resonanzspitzen, sowie der Abfall der durch Lichtstreuung verursachten Verluste mit der Wellenlänge. Gut zu erkennen sind auch die Bereiche minimaler Dämpfung in den Übertragungsfenstern um 1300nm und 1550nm. Eine Dämpfung von 1 db/km mag auf den ersten Blick hoch erscheinen, tatsächlich stehen aber am Ende von 50km Lichtleiter immer noch 3% der eingekoppelten Lichtleistung zur Verfügung genau soviel wie nach 30cm Fensterglas. Weitere Dämpfungsphänomene sind unter anderem die materialbedingte Lichtabsorption, und die materialbedingte Lichtstreuung. Quellen: (4), (5), (6) materialbedingte Lichtabsorption Bei bestimmten Wellenlängen treten in Lichtleitern Resonanzeffekte auf, durch die Lichtenergie absorbiert und in Wärme umgesetzt wird. Reines Silikatglas, das heute als Ausgangsmaterial für Lichtleiter verwendet wird, weist derartige Resonanzen bei 10000nm bis 20000nm auf. Obwohl dieser Bereich weit über den für Nachrichtenübertragung genutzten Wellenlängen liegt, steigen die Dämpfungsverluste ab etwa 1600nm deutlich an. Störend wirken sich auch bereits geringe Anteile von Fremdatomen und Ionen im Glas aus. Im reinen Silikatglas

12 14 musste ihr Anteil enorm reduziert werden, um die Absorptionsspitzen dieser Fremdstoffe so weit zu unterdrücken, dass die Dämpfung in annehmbare Größenordnungen sank. Dank moderner Technologien spielen aber die Verunreinigungen durch Fremdatome und Ionen praktisch keine Rolle mehr. Quellen: (4), (5), (6) materialbedingte Lichtstreuung Lichtstreuung entsteht durch Unregelmäßigkeiten, die sich vor allem während der Abkühlphase im Schmelzprozess des Glases bilden. Im interessanten Wellenlängenbereich misst man einen starken Anstieg der Dämpfung mit sinkender Wellenlänge, und zwar mit ihrer vierten Potenz. Die geringsten Streuverluste erzielt man also bei möglichst großen Wellenlängen. Quellen: (4), (5), (6) 5.3 Dispersion Die Dispersion tritt als Folge der Übertragung kurzer Lichtpulse auf, die mit hoher Frequenz übertragen werden sollen. Die Lichtpulse werden bei der Übertragung durch den Lichtleiter immer breiter und gehen schließlich ineinander über. Dieser Vorgang ist längenbedingt, denn nach einer bestimmten Länge sind diese Pulse derart unscharf geworden, dass es unmöglich geworden ist, sie noch auseinander zu halten. Die Gründe der Dispersion sind folgende. (Bildanhang: Abbildungen 10, 11, 12) Quellen: (4), (5), (6), (10) Materialdispersion Schickt man weißes Licht durch ein Prisma werden die verschiedenen, im weißen Licht enthaltenen Lichtfrequenzen unterschiedlich gebrochen. Der optische Sender bei einem Lichtleiter ist nicht in der Lage, Licht gleicher Frequenz zu emittieren, sondern sendet lediglich in einem einzelnen Frequenzbereich. Das hat zur Folge, dass bestimmte Frequenzen länger in einem Lichtleiter laufen als andere, da sie unterschiedlich stark gebrochen werden. Der Lichtpuls wird auseinander gezogen und verschwimmt mit anderen, vorher gesandten Pulsen. Dem Problem kann man entgegenwirken, indem man den Lichtsender in einem kleineren Spektrum von

13 15 Frequenzen senden lässt. Praktisch verwendet man statt einer LED (Leuchtdiode) eine LD (Laserdiode). Quellen: (4), (5), (6), Modendispersion Eingespeiste Lichtenergie kann sich im Multimode-Lichtleiter auf unterschiedlich langen Wegen ausbreiten, so dass Laufzeitunterschiede auftreten. Modendispersion lässt sich in Gradientenfasern (eine Gradientenfaser hat ein vom Zentrum nach außen hin abfallendes Brechzahlprofil, der Lichtstrahl wird also allmählich gebrochen und nicht direkt) durch spezielle Brechzahlprofile minimieren, so dass sie dann in etwa in der gleichen Größenordnung wie die Materialdispersion liegt. Bei Stufenindexfasern (bei einer Stufenindexfaser werden zwei Materialien unterschiedlicher Brechzahl verwendet, so dass am Übergang von n1 zu n2 Totalreflexion erfolgt) überwiegt die Modendispersion bei weitem. Quellen: (4), (5), (6) Wellenleiterdispersion Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahls abhängig von seiner Wellenlänge ist, breiten sich die unterschiedlichen Spektralkomponenten eines Lichtpulses durch den Lichtleiter unterschiedlich schnell aus, wodurch der Lichtpuls verbreitert wird. Dieser Effekt ist zwar bei Multimode- Lichtleitern (besteht aus mehreren, nach außen optisch dünner werdenden Stoffen (Gradientenfaser), sodass das Licht allmählich gebrochen wird aber alle Frequenzen gleich stark) gegenüber anderen Dispersionsarten vernachlässigbar, muss aber im Monomode-Lichtleiter (Stufenindexfaserleiter, hier wird der Kernradius so klein gewählt, dass Licht einer Wellenlänge nur noch unter einem bestimmten Winkel in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann, d.h. nur noch eine Mode im Lichtleiter ausbreitungsfähig ist.), wo Modendispersion nicht auftritt, in Rechnungen berücksichtigt werden. Da Wellenleiterdispersion und Materialdispersion in der gleichen Größenordnung liegen, versucht man, ihre Einflüsse in gewisser Weise gegenseitig zu kompensieren. (Bildanhang: Abbildung 13) Quellen: (13)

14 16 6 Zukunft beider Technologien Zu seiner Zeit war die elektronische Übertragung von Daten eine der größten Errungenschaften der Technologie, wenn nicht sogar der Menschheit. Der Fortschritt, gerade in technologischen Bereichen zeigt, dass es viel verschiedene Möglichkeiten gibt eine bestimmte Aufgabe zu lösen, bzw. eine bestimmte Idee zu verwirklichen. Das Kupferkabel und die damit einhergehende Technik, hat über Jahrzehnte, wenn nicht sogar Jahrhunderte hinweg ihren Zweck erfüllt und man hat einen anderen Weg gefunden, dieselbe Aufgabe, nämlich Daten zu übertragen, zu erfüllen, auf günstigerem und ökologisch einfacherem Weg. Daher wird sich die Technik eindeutig von Kupferdrähten wegbewegen und sich in dem Bereich der Telephonie, aber auch der Elektronik und Mikroelektronik, auf die optische Datenübertragung verlagern. Heute ist die Verarbeitung und Bereitstellung der Daten, im Vergleich zur eigentlichen Übertragung zu langsam, jedoch benutzen schon große Bereiche der Computer-Industrie die optische Datenübertragung, ganz zu schweigen von den Telefongesellschaften. Im privaten Bereich gibt es bereits die ersten Hauptplatinen für Computer mit sogenannten FireWire-Schnittstellen, die eine optische Datenübertragung ermöglichen.