Lichtwellenleitertechnik im Handwerk

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1 Lichtwellenleitertechnik im Handwerk K. Mertens, Labor für Optoelektronik und Sensorik, Fachbereich Elektrotechnik und Informatik, Fachhochschule Münster Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 1

2 Lichtwellenleiter dringen in weite Bereiche unseres Lebens vor: Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 2

3 Inhalt 1) Welche Vorteile haben Lichtwellenleiter? 2) Wie funktionieren Lichtwellenleiter? 3) Welche Faserarten gibt es? 4) Was braucht man für ein Übertragungssystem? 5) Beispiele heutiger Lichtwellenleitersysteme 6) Fazit Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 3

4 1) Welche Vorteile haben Glasfasern? geringe Dämpfung hohe Bandbreite dünn und flexibel keine elektromagnetischen Ausstrahlungen keine elektromagnetischen Einstrahlungen Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 4

5 Vergleich der Dämpfungen: Kupferkabel Glasfaser Kupferkabel: Glasfaser: Widerstand Spule Kaum Wechselwirkung zwischen Licht und Glas Kondensator Kupferkabel: Glasfaser: hohe Dämpfung bei hohen Datenraten Dämpfung ist klein und unabhängig von der Datenrate Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 5

6 Beispiel: Fernkabel zwischen Münster and Hamburg (300 km) Kapazität: Telefongespräche (6.4 Gbit/s) 5 kg/m Kupferkabel Ø 8 cm 100 Verstärker notwendig Glasfaser 300 g/m Ø 2 cm Keine Verstärker notwendig Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 6

7 Eine einzelne Glasfaser: klein aber oho! Glasmantel: 125 m Kunststoffumhüllung: 250 m Glaskern m Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 7

8 2) Wie funktionieren Glasfasern? Brechungsindex n: Der Brechungsindex gibt an, wie stark das Licht in einem Medium verlangsamt wird: Lichtwelle c 0 v Vakuum - Lichtgeschwindigkeit c0 Lichtgeschwindigkeit v Brechungsindex n Luft Glas z.b.: Lichtgeschwindigkeit in Glas (n = 1,5): c km / s v n 15, km / s Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 8

9 Brechungsgesetz: n 2 n1 sin1 n2 sin 2 n 1 2 Luft n 1 > n 2 Glas 1 Prinzip der Totalreflexion: n arcsin( 2 n1 Grenzwinkel der Totalreflexion: ) 1g z.b. Glas / Luft : 1g 42 Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 9

10 Lichtführung in Glasfasern: Mantel (SiO 2 ) Kern (SiO 2 mit Germanium) n 2 n 1 Brechungsindex n 1 muss größer als n 2 sein Das Licht wird im Kern geführt durch fortwährende Totalreflexion Das Licht sieht ein von innen verspiegeltes Rohr Wenn der Einfallswinkel zu groß ist, wird das Licht abgestrahlt Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 10

11 3) Welche Faserarten gibt es? a) Stufenindex-Faser: Radius n 2 n1 n(r) n 2 n 1 Einlaufender Puls: auslaufender Puls: Verbreiterung des Pulses: Dispersion : Nur niedrige Datenraten sind möglich Diese Faserart wird z.b. im KFZ oder HiFi-Bereich eingesetzt Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 11

12 b) Gradienten-Faser: r n 2 n 1max n(r) n 2 n 1 einlaufender Puls: auslaufender Puls: Der äußere Lichtstrahl läuft schneller Vakuum - Lichtgeschwindigkeit c0 ( v Brechungsindex n ) deutlich geringere Pulsverbreiterung! z.b. 1 Gbit/s über ein Kilometer Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 12

13 Noch besser: Monomode - Faser Idee: Wir bauen eine Faser, in die nur ein Strahl ( Mode ) hineinpasst: Wie erreichen wir das? 1.: kleiner Kern ( d = 10 m) 2.: kleiner Brechungsindexunterschied r n 2 n 1 n(r) n 2 n 1 d = 10 m einlaufender Puls: auslaufender Puls: minimale Pulsverbreiterung! z.b. 40 Gbit/s über 1000 km! Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 13

14 4) Was braucht man für ein Übertragungssystem? Prinzipieller Aufbau: optisches Signal elektrisches Signal optischer Sender Faser optischer Empfänger elektrisches Signal Wir brauchen: - optischen Sender: LED or Laserdiode - optischen Empfänger: Photodiode - Stecker, usw. Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 14

15 Optische Sender: Leuchtdiode (LED): Aufbau: p n + Beispiel: Eigenschaften: + billig + unverwüstlich - kleine Leistungen - nur für Multimode-Fasern - Laserdiode (LD): Aufbau: Beispiel: Eigenschaften: + p i n - + hohe Leistung + hohe Datenraten - teuer - gehen leicht kaputt Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 15

16 Optische Empfänger: Photodiode: Aufbau: Licht Beispiel: p n Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 16

17 Verbinden von Glasfasern: a) mit Steckern: Kupplung Stecker Kupplung Stecker Ferrule b) durch Spleissen : Elektrode Kunststoffhülle Fasermantel Faserkern Lichtbogen Automatische Positionsregelung Elektrode Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 17

18 5) Beispiele heutiger Lichtwellenleitersysteme a) Fernübertragungsnetze Überseeverbindungen: Citynetze: z.b. 640 Gbit/s über 6000 km (10 Mio. Telefonverbindungen) z.b. 10 Gbit/s über Cityring Für Installationsfirmen ergibt sich kaum eine Verbindung Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 18

19 Lokale Netze: Fasern Workstation Kupferleitung PC Switch PC PC Hub PC PC PC PC PC Ethernet: klassisch: 10 Mbit/s nur Kupfer Fast Ethernet: 100 Mbit/s Kupfer und LWL Gigabit Ethernet: 1 Gbit/s bis 100 m: Kupfer, ab 100 m: LWL 10G Ethernet: 10 Gbit/s praktisch nur noch LWL Steigende Bandbreiteanforderungen werden den Einsatz von Glasfasern auch im LAN-Bereich weiter vorantreiben! Installationsfirmen müssen sich mit der Verlegung und möglichst auch Konfektionierung und Vermessung von Lichtwellenleitern auskennen! Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 19

20 Lichtwellenleiter im Multimedia-Bereich: Plastikfasern PMMA (Plexiglas) 1 mm 2,2 mm (Toslink-Stecker) z.b. optische Stereosignal-Übertragung: Wellenlänge: 650 nm (rot) Datenrate: bis 10 Mbit/s Entfernung: einige Meter Tipps: Stecker können einfach konfektioniert werden Biegeradien sind unkritisch (2,5 cm) Einfache LED-Ankopplung Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 20

21 KFZ: MOST (Media Orientated Systems Transport Bus) 1 mm 2,3 mm Einsatz: Technik: Bus für Multimedia Geräte Seit 2001 Eingesetzt in BMW, Daimler, Volvo, etc. Allmähliche Verbreitung auch in Mittelklasse Datenrate: 22 Mbit/s Robuste Plastikfasern Zukünftig 100 Mbit/s mit Glasfasern Tipps: Biegeradien einhalten (2 cm) Auf Sauberkeit der Endflächen achten Nicht im Motorraum verlegen (Temperatur!) Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 21

22 6) Fazit Lichtwellenleiter haben viele Vorteile gegenüber Kupferkabeln. Sie werden zunehmend im LAN-Bereich eingesetzt. Neue Einsatzbereiche (KFZ, Multimedia, etc.) werden gegenwärtig erschlossen. Für Handwerker bringt eine Weiterbildung / Qualifizierung im Bereich Lichtwellenleiter durchaus Wettbewerbsvorteile und neue Tätigkeitsmöglichkeiten. Weitere Informationen: Informationen und Produkte zur Lichtwellenleitertechnik Informationen zu Kunststofffasern Download des Vortrags: Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 22

23 LWL-Praxisseminar der FH Münster: Themen: Grundlagen der Lichtwellenleiter Kabelarten Messtechnik Steckerkonfektionierung Organisation: Eintägiges Seminar Zeit: März 2006 (vorrauss.) Kosten: 210 Euro / Person Anfragen an Frau Christa Schütte Tel.: / Mail: schuette@fh-muenster.de Handwerk trifft Wissenschaft, Münster, Lichtwellenleitertechnik 23

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